El tribunal d’avaluació d’aquest Treball Fi de Carrera, reunit el dia … · 2011-02-21 ·...
Transcript of El tribunal d’avaluació d’aquest Treball Fi de Carrera, reunit el dia … · 2011-02-21 ·...
El tribunal d’avaluació d’aquest Treball Fi de Carrera, reunit el dia 16 de febrer del 2010, ha
acordat concedir la següent qualificació:
President:
Vocal:
Secretari:
El sotasignant, José A. López Vicario, Professor de l’Escola d’Enginyeria de la Universitat
Autònoma de Barcelona (UAB),
CERTIFICA:
Que el treball presentat en aquesta memòria de Treball Fi de Carrera ha estat realitzat
sota la seva direcció per l’alumne Irene Rodríguez Alegre.
I, perquè consti a tots els efectes, signa el present certificat.
Bellaterra, 15 de gener de 2010.
Signatura: José A. López Vicario
La realización de este proyecto no habría sido posible sin la ayuda de mi tutor,
el Dr. José López Vicario que me ha guiado durante todo este tiempo,
y la colaboración de Albert Anglés en la resolución de muchas de mis dudas.
También querría agradecer, en primer lugar, a mis
padres por apoyarme siempre y ayudar en todo lo posible.
Gracias a mis compañeros de clase Pedro, Carme y Jenni
por todos estos años juntos y tantos momentos divertidos en clase y fuera de ella,
y en especial a Marc, por ayudarme durante el proyecto con las medidas
y “aguantarme la antena”.
Por supuesto, gracias a mis amigas Miriam, Gemma, Diana y Vero por
estar a mi lado y especialmente a Mireia por tantísimas horas en la biblioteca.
Y finalmente no puedo olvidarme de María que me ha aconsejado siempre
y apoyado en los momentos más difíciles.
“Si buscas resultados distintos, no hagas siempre lo mismo.”
- Albert Einstein
- i -
Índice
LISTADO DE FIGURAS V
LISTADO DE TABLAS VII
1. INTRODUCCIÓN 1
1.1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS 1
1.2. BACKGROUND Y SITUACIÓN ACTUAL 1
1.3. MOTIVACIÓN 2
1.4. ESTRUCTURA DEL PROYECTO 3
2. LA TECNOLOGÍA WIMAX 5
2.1. INTRODUCCIÓN 5
2.2. PROTOCOLOS 7
2.3. HISTORIA 8
2.4. CARACTERÍSTICAS DEL PROTOCOLO 11
2.4.1 CAPA FÍSICA 11
2.4.2 CAPA MAC 13
2.5. COMPARATIVA 16
2.5.1 SISTEMAS CELULARES 3G 16
2.5.2 SISTEMA WI-FI 17
- ii - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
3. LA RED WIMAX 19
3.1. ALVARION 19
3.2. ARQUITECTURA DE LA RED 21
3.2.1 LA ESTACIÓN BASE 22
3.2.2 LOS EQUIPOS DE ABONADO 26
3.3. GESTIÓN DE LA RED 30
3.3.1 BREEZELITE 30
3.3.2 CONFIGURACIÓN DE LA ESTACIÓN BASE 33
3.3.3 EL PROTOCOLO SNMP 38
3.3.4 GESTIÓN DEL TERMINAL DE USUARIO 40
4. SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO 43
4.1. SISTEMAS INTERPLANETARIOS 43
4.2. SISTEMAS GLOBALES 44
4.2.1 GPS, GLOBAL POSITIONING SYSTEM 44
4.2.2 GLONASS, GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM 46
4.2.3 GALILEO 48
4.2.4 A-GPS, ASSISTED GPS 49
4.2.5 E-OTD, ENHANCED OBSERVED TIME DIFFERENCE 50
4.2.6 CGI-TA, CELL GLOBAL IDENTITY-TIMING ADVANCE 50
4.2.7 TOA, TIME OF ARRIVAL 51
4.3. SISTEMAS REGIONALES 52
4.3.1 LORAN-C 52
4.4. SISTEMAS ESPECÍFICOS PARA UN ENTORNO DE TRABAJO DETERMINADO 53
4.5. SISTEMAS HÍBRIDOS 54
4.5.1 NAVIZON 55
4.5.2 PLACEENGINE 56
4.5.3 XTIFY 56
4.5.4 SKYHOOK 57
4.5.5 GOOGLE MAPS MÓVIL 58
4.6. SISTEMAS INDOOR 59
- iii -
5. ESTUDIO DEL POSICIONAMIENTO 65
5.1. OBJETIVOS Y ESTRUCTURA DEL CAPÍTULO 65
5.2. LA ESTIMACIÓN DE LA DISTANCIA 67
5.2.1 LA POTENCIA RSS 67
5.2.2 EL MODELO ERCEG 72
5.2.3 MODELOS EMPÍRICOS DISEÑADOS 74
5.3. LA PARAMETRIZACIÓN DEL ESCENARIO 77
5.3.1 EL ESCENARIO 77
5.3.2 EL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS 78
5.4. LA ESTIMACIÓN DE LA POSICIÓN 82
6. CAMPAÑA DE MEDIDAS 87
6.1. ANÁLISIS PREVIO 87
6.1.1 MÉTODO 1 87
6.1.2 MÉTODO 2 92
6.1.3 MÉTODO 3 95
6.2. ESTUDIO DE LOS ESCENARIOS 99
6.2.1 MODELO 1 PARED 102
6.2.2 MODELO 0 Y 1 PARED 105
6.2.3 MODELO 1 Y 2 PAREDES 107
6.2.4 MODELO 1, 2 Y 3 PAREDES 109
6.2.5 MÁS EJEMPLOS 111
6.3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 130
7. CONCLUSIONES 133
REFERENCIAS 135
- iv - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
- v -
LLIISSTTAADDOO DDEE FFIIGGUURRAASS
FIG. 1 - LA RED WIMAX...............................................................................................................................5
FIG. 2 - LA RED WI-FI ...................................................................................................................................6
FIG. 3 - COBERTURA WIMAX.......................................................................................................................7
FIG. 4 - LOGO ALVARION ............................................................................................................................19
FIG. 5 – ARQUITECTURA DE LA RED ............................................................................................................22
FIG. 6 - MICRO ESTACIÓN BASE BREEZEMAX ALVARION .........................................................................22
FIG. 7 - UNIDAD DE ANTENA, AU-ODU ......................................................................................................24
FIG. 8 - ANTENA SECTORIAL DE 14.5 DBI. VISTA FRONTAL .........................................................................24
FIG. 9 - ANTENA SECTORIAL DE 14.5 DBI. VISTA TRASERA .........................................................................24
FIG. 10 - TERMINAL SI-CPE ........................................................................................................................26
FIG. 11 - TERMINAL WIMAX INDOOR IDU-1D2V......................................................................................30
FIG. 12 – UNIDADES ODU PRO-S-CPE, MODELOS SA Y SE.......................................................................30
FIG. 13 - CONFIGURACIÓN GENERAL ...........................................................................................................35
FIG. 14 - CONFIGURACIÓN DE LA INTERFAZ AÉREA ....................................................................................36
FIG. 15 - CONFIGURACIÓN DE LA POTENCIA DE TRANSMISIÓN ....................................................................36
FIG. 16 - CONFIGURACIÓN DE LOS CANALES DE TRANSMISIÓN ....................................................................37
FIG. 17 - CONFIGURACIÓN DEL PUERTO DE DATOS Y DEL PUERTO DE CONTROL .........................................37
FIG. 18 - PESTAÑA DE INFORMACIÓN SOBRE LA UNIDAD PRO-CPE............................................................41
FIG. 19 - PESTAÑA DE MONITORIZACIÓN DE LA UNIDAD PRO-CPE............................................................41
FIG. 20 - CONSTELACIÓN DEL SISTEMA GPS ...............................................................................................45
FIG. 21 - LOGO DE GLONASS ....................................................................................................................47
FIG. 22 - LOGO DE GALILEO ........................................................................................................................48
FIG. 23 - DIVERSOS SISTEMAS DE POSICIONAMIENTO ..................................................................................49
FIG. 24 - CONTROL REMOTO DE LA CONSOLA WII .......................................................................................53
FIG. 25 - SISTEMA NAVIZON........................................................................................................................55
FIG. 26 - SISTEMA PLACEENGINE DE SONY .................................................................................................56
FIG. 27 - SISTEMA XTIFY .............................................................................................................................56
FIG. 28 - EL LOGO DE SKYHOOK..................................................................................................................57
FIG. 29 - GOOGLE MAPS MÓVIL...................................................................................................................58
- vi - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
FIG. 30 - TRIANGULACIÓN MEDIANTE TOA ................................................................................................61
FIG. 31 - EJEMPLO DE CALIDAD DE RECEPCIÓN EN RSSI .............................................................................62
FIG. 32 - ARQUITECTURA EDIFICIO Q6 ........................................................................................................77
FIG. 33 - PLANO DEL SEGUNDO PISO ............................................................................................................78
FIG. 34 - RECTA DE PROPAGACIÓN ..............................................................................................................81
FIG. 35 - EJEMPLO POSICIONAMIENTO 1 ......................................................................................................82
FIG. 36 - EJEMPLO POSICIONAMIENTO 2 ......................................................................................................83
FIG. 37 - MEDIDAS PARA EL CÁLCULO DE PAF............................................................................................89
FIG. 38 - REPRESENTACIÓN PASILLO, ESCALA LINEAL ................................................................................91
FIG. 39 - REPRESENTACIÓN PASILLO, ESCALA LOGARÍTMICA......................................................................91
FIG. 40 - EJEMPLO DE ESCENARIO PARA EL MÉTODO 3................................................................................96
FIG. 41 - MÉTODO 3, RECTA LOGARÍTMICA.................................................................................................98
FIG. 42 - MÉTODO 3, RECTA LINEAL ............................................................................................................98
- vii -
LLIISSTTAADDOO DDEE TTAABBLLAASS
TABLA 1. ESTÁNDARES DE WIMAX .............................................................................................................9
TABLA 2. ESPECIFICACIONES ......................................................................................................................10
TABLA 3 - ESPECIFICACIONES DE LA MICROESTACIÓN BASE BREEZEMAX 3000 ........................................25
TABLA 4 - CARACTERÍSTICAS SI-CPE.........................................................................................................27
TABLA 5 - ESPECIFICACIONES ANTENA EXTERNA SI-CPE ...........................................................................28
TABLA 6 - MEDIDAS DE POTENCIA MÉTODO 1 ............................................................................................88
TABLA 7 - POTENCIAS RECIBIDAS PARA EL CÁLCULO DE PAF.....................................................................90
TABLA 8 - MEDIDAS DE POTENCIA MÉTODO 2 ............................................................................................93
TABLA 9 - MEDIDAS DE POTENCIA MÉTODO 3 ............................................................................................96
TABLA 10 - ERROR MEDIO POSICIONAMIENTO...........................................................................................131
Capítulo 1 – Introducción - 1 -
11.. IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN
1.1. Introducción y objetivos
Este proyecto titulado “Posicionamiento en redes WiMAX” estudia un
tema muy demandado en la actualidad, el del posicionamiento de un usuario
en la superficie terrestre.
Dada la monopolización que existe actualmente con el posicionamiento
por satélite, el proyecto está centrado en la aplicación de una tecnología
innovadora -WiMAX- que consigue grandes coberturas en situaciones en las
que no tenemos visibilidad directa con la antena, con el propósito de conseguir
un posicionamiento eficiente y con el mínimo error.
El objetivo principal del proyecto es determinar la posición de un
dispositivo que se encuentra en el interior de un edificio aprovechando la señal
de comunicaciones WiMAX usada en dicho lugar, disminuyendo por tanto el
coste de implantación del sistema de posicionamiento. Para ello se diseñarán
tres modelos de posicionamiento distintos a partir de una serie de medidas que
parametricen cada uno de los modelos. Finalmente se realizará una aplicación
totalmente real para comprobar los resultados, mediante el estudio de 18
escenarios de posicionamiento diferentes.
1.2. Background y situación actual
La determinación de la posición de un dispositivo o de un usuario, es una
demanda muy habitual actualmente. Se quiere conocer la posición de los
aviones en sus trayectos por el cielo, de los barcos viajando por el mar, o de los
coches cuando circulan hacia sus destinos.
- 2 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
También se requiere conocer la posición de un usuario de una red de
comunicaciones móviles para dar servicios basados en la posición o para
sistemas de emergecia o seguridad.
El método más utilizado, GPS, tiene ciertas restricciones cuando se trata de
espacios cerrados como el interior de edificios o túneles, de ahí que aparezcan
nuevas propuestas para el posicionamiento como la que se estudiará a lo largo
de este proyecto.
Hay que remarcar que aunque se han estudiado sistemas de
posicionamiento en exteriores con redes WiMAX[Bae08][Bsh08], actualmente
no existen sistemas de posicionamiento indoor basados en esta tecnología dadas
las limitaciones que se analizarán a lo largo del proyecto, aún y así veremos que
este posicionamiento puede conseguir buenos resultados si se realizan estudios
exhaustivos previos del escenario.
1.3. Motivación
La implantación de un sistema de posicionamiento alternativo a GPS es la
principal motivación de este proyecto. Se trata de una tecnología de banda
ancha inalámbrica y muy innovadora, con cobertura superior a la de Wi-Fi que
permite dar servicio a numerosos usuarios situados a varios kilómetros de la
estación base y que supone un ahorro en la implantación ya que usa la misma
señal de comunicaciones, y por tanto aparece un ahorro en coste al no tener que
añadir un sistema específico de posicionamiento.
Es importante destacar que WiMAX consigue gran cobertura a varios km
de distancia de la estación base incluso en interiores, mientras que con GPS la
señal es muy débil cuando no tenemos visión directa con el satélite.
Capítulo 1 – Introducción - 3 -
Concretamente con WiMAX conseguimos cobertura a 40 km de la estación
base en situaciones de visión directa, y entre 2 y 4 km sin visión directa, como
podría suceder en el interior de un edificio. Resulta muy interesante, por tanto,
el estudio de WiMAX y su aplicación en el campo del posicionamiento.
1.4. Estructura del proyecto
Este proyecto está organizado en 7 capítulos. Siendo este el primer
capítulo; en el segundo se estudia la tecnología WiMAX, principalmente las
características, su reciente historia, los protocolos existentes y se compara con
otras tecnologías del sector. El tercer capítulo está centrado en la red WiMAX
con la nos encontramos en el proyecto, describiendo los equipos con los que se
trabaja, su configuración y el método de gestión que se lleva a cabo. En capítulo
cuatro se estudian los diferentes sistemas de posicionamiento existentes en el
mercado, sus objetivos, características principales y diferencias entre ellos. Más
adelante, en el quinto capítulo se estudian los tres principales aspectos a
analizar en un sistema de posicionamiento: la distancia, el escenario y la
posición; describiendo las leyes que los definen y los cálculos que se realizan
durante el proyecto para obtener cada uno de los datos. En el capítulo 6 se
recogen las medidas realizadas para los tres métodos que se llevan a cabo, y se
concluye el capítulo con un análisis de 18 escenarios distintos, junto con los
resultados obtenidos de distancia y potencia, los gráficos de cada escenario que
se han analizado y los resultados de posicionamiento obtenidos para cada uno
de ellos. Finalmente, en el último capítulo se definen las conclusiones generales
del proyecto.
- 4 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 5 -
22.. LLAA TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAA WWIIMMAAXX
2.1. Introducción
WiMAX1 es un sistema de comunicación digital sin cables que provee una
transmisión de datos en redes MAN2. La tecnología WiMAX está basada en el
estándar IEEE3 802.16 [IEEE1], también conocido como BWA4 el cual nos aporta
un acceso hasta 50 km de distancia para estaciones fijas; y entre 5 y 15 km para
el caso de estaciones móviles.
En contraposición a WiMAX encontramos la tecnología Wi-Fi5 basada en
el estándar IEE 802.11, que es un protocolo para transmisión en redes LAN6
limitado en la mayoría de los casos a distancias entre 30 y 100 m. En las figuras
1 y 2 se pueden observar las redes habituales en las que se instala una
tecnología WiMAX o Wi-Fi.
Fig. 1 - La red WiMAX
1 Worldwide Interoperability for Microwave Access, acceso microondas alrededor del mundo. 2 Metropolitan Area Network, red de área metropolitana. 3 Institute of Electrical and Electronics Engineers. 4 Broadband Wireless Access, acceso en banda ancha sin cables. 5 Wireless Fidelity, acceso a Internet con seguridad y sin cables. 6 Local Area Network, red de área local.
- 6 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
El nombre WiMAX fue definido por WiMAX Forum[Wim1], un
organismo sin ánimo de lucro que fue creado el año 2001 para promover
conformidad e interoperabilidad en el estándar. WiMAX Forum describe
WiMAX como "una tecnología basada en el estándar 802.16 que nos ofrece una
alternativa a cable y DSL7 para la conexión del acceso de última milla8[Sit09].
Respecto Wi-Fi, WiMAX es un protocolo de segunda generación que permite un
uso mucho más eficiente del ancho de banda, evitando las interferencias, y
permitiendo mayores rangos de datos a largas distancias. En la figura 3
podemos observar un ejemplo de abastecimiento de edificios mediante
WiMAX.
Fig. 2 - La red Wi-Fi
El estándar IEEE 802.16 define las características técnicas del protocolo de
comunicaciones y WiMAX Forum ofrece soluciones para comprobar la
compatibilidad de los equipos, ya que es un grupo industrial dedicado a
fomentar el desarrollo y comercialización de la tecnología.
7 Digital Subscriber Line, línea digital de suscriptor. 8 El último tramo de conexión entre un proveedor de comunicaciones y el consumidor.
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 7 -
2.2. Protocolos
El protocolo IEEE 802.16 reúne una serie de estándares autorizados por el
IEEE. La versión actual es la 802.16-2009, y se están desarrollando las nuevas
versiones 802.16h y 802.16m.
El protocolo 802.16 fue escrito en 1999 por un grupo de trabajo establecido
por el IEEE Standards Board dedicado a desarrollar estándares para el desarrollo
global de una red MAN de banda ancha sin cables. Este grupo de trabajo es
parte del IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee. Aunque la familia de
estándares 802.16 se conoce oficialmente como Wireless9MAN ha sido
comercializada con el nombre WiMAX, debido a la alianza de industrias
WiMAX Forum, cuya misión es promover y certificar la compatibilidad e
interoperabilidad de los productos de banda ancha sin cables basados en dichos
estándares.
Fig. 3 - Cobertura WiMAX
9 Inalámbrico; red MAN inalámbrica
- 8 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
La implementación más popular del estándar es el WiMAX móvil10
originalmente definido en el IEEE 802.16e-2005, y actualmente usado por más
de 475 operadores en más de 140 países del mundo [Wim2].
2.3. Historia
El grupo IEEE 802.16 fue formado en 1998 para desarrollar un estándar de
interfaz aérea para comunicaciones inalámbricas. El primer objetivo del grupo
era desarrollar un sistema de banda ancha inalámbrico punto-multipunto
basado en visión directa LOS11 en el rango de las milimétricas, es decir, en la
banda de frecuencias de 10 a 66 GHz. En el estándar original 802.16 –
completado en diciembre de 2001– la capa física contaba con una sola portadora
y la capa MAC12 estaba basada en TDM13. Más adelante se creó 802.16a, una
corrección del estándar, para incluir aplicaciones NLOS14– sin visión directa- en
la banda de 2 a 11 GHz, usando OFDM15 en la capa física. La capa MAC
también se corrigió para soportar acceso OFDMA16[And07].
Tras futuras revisiones, en el año 2004 se obtuvo el nuevo estándar IEEE
802.16-2004 que reemplazó todas las versiones anteriores y aportó las bases para
la primera solución WiMAX en aplicaciones fijas, habitualmente conocido como
WiMAX fijo.
10 Mobile WirelessMAN. 11 Line of Sight propagation, propagación con visión directa entre el transmisor y el receptor. 12 Media Access Control, control de acceso al medio. 13 Time Division Multiplexing, multiplexación por división de tiempo. 14 Non Line of Sight propagation. 15 Ortogonal Frequency-Division Multiplexing, multiplexación por división ortogonal de frecuencias. 16 Ortogonal Frequency-Division Multiple Access, versión multiusuario de OFDM.
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 9 -
Un año más tarde, en diciembre de 2005 se aprobó 802.16e-2005, una
corrección que añadía soporte móvil, habitualmente conocido como WiMAX
móvil. En la tabla 1 se pueden observar los diferentes estándares de WiMAX
publicados por IEEE, mientras que la tabla 2 muestra las especificaciones más
relevantes de los tres estándares principales.
Estándar Descripción Status
Fixed Broadband Wireless Access: 802.16-2001
Acceso inalámbrico fijo de banda ancha (10–63 GHz) Obsoleto
802.16.2-2001 Recomendación práctica para la coexistencia Obsoleto
802.16c-2002 Perfiles del Sistema para 10–63 GHz Obsoleto
802.16a-2003 Definiciones de la capa física PHY y la MAC para 2–11 GHz Obsoleto
P802.16b Proyecto retirado: Frecuencias exentas de licencia Retirado
P802.16d
Proyecto fusionado al 802.16-2004: Perfiles de
Mantenimiento
y del Sistema para 2-11 GHz
Fusionado
802.16-2004
Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System:
Interfaz Aérea para el sistema de acceso inalámbrico fijo de
banda ancha
Obsoleto
P802.16.2a Proyecto fusionado al 802.16.2-2004:
Coexistencia con 2–11 GHz y 23.5–43.5 GHz Fusionado
802.16.2-2004 Recomendación práctica para la coexistencia Actual
802.16f-2005 Management Information Base (MIB) para 802.16-2004 Obsoleto
802.16-2004
/Cor 1-2005 Correcciones en operaciones fijas Obsoleto
802.16e-2005 Mobile Broadband Wireless Access System:
Sistema de acceso inalámbrico móvil banda ancha Obsoleto
802.16k-2007 Puente al estándar 802.16 Actual
802.16g-2007 Plan de Servicios y Procedimientos Obsoleto
P802.16i Proyecto fusionado al 802.16-2009:
Mobile Management Information Base Fusionado
802.16-2009
Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access
System:
Interfaz aérea para el sistema fijo y móvil de acceso
inalámbrico banda ancha
Actual
802.16j-2009 Multihop Relay Actual
P802.16h Proyecto: Mejora de los mecanismos de coexistencia para
operaciones exentas de licencia En proceso
P802.16m Interfaz aérea avanzada para tasas de datos de
100 Mbit/s (móvil) y 1 Gbit/s (fijo) En proceso
Tabla 1. Estándares de WiMAX
- 10 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
802.16 802.16-2004 802.16e-2005
Estado Completado
Diciembre 2001
Completado
Junio 2004
Completado
Diciembre 2005
Banda de Frecuencia
10GHz-66GHz 2GHz-11Ghz 2GHz-11GHz para fijo;
2GHz-6 GHz para móvil
Aplicación LOS fija NLOS fija NLOS fija i móvil
Arquitectura MAC
PTM17
, malla PTM, malla PTM, malla
Esquema de Transmisión
Solo 1 portadora 256 subportadoras
OFDM
OFDM escalable
(OFDMA) con 128, 256,
512, 1024 o 2048
subportadoras
Modulación
QPSK18
,
16QAM19
,
64QAM
QPSK, 16QAM,
64QAM
QPSK, 16QAM, 64QAM
Velocidad de transmisión
32 Mbps-134.4
Mbps 1Mbps-75 Mbps 1Mbps-75 Mbps
Multiplexado Burst
TDM/TDMA
Burst TDM/TDMA/
OFDM/OFDMA
Burst TDM/TDMA/
OFDM/OFDMA
Duplexado TDD20
i FDD21
TDD i FDD TDD i FDD
Anchos de banda de canal
20MHz, 25 MHz,
28 MHz
1.75MHz, 3.5MHz,
7MHz, 14MHz,
1.25MHz, 5MHz,
10MHz, 15MHz,
8.75MHz
1.75MHz, 3.5MHz,
7MHz, 14MHz,1.25MHz,
5MHz, 10MHz, 15MHz,
8.75MHz
Designación interfaz aérea
WirelessMAN-SC WirelessMAN-OFDM WirelessMAN-OFDMA
Implementación WiMAX
Ninguna 256-OFDM ODMA escalable
Tabla 2. Especificaciones
17 Point to Multipoint, punto a multipunto. 18 Quadrature Phase Shift Keying 19 Quadrature amplitude modulation 20 Time-division duplexing 21 Frequency-division duplexing
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 11 -
2.4. Características del protocolo
A continuación se van a estudiar las principales características del
protocolo de WiMAX, tanto en la capa física como en la capa de acceso al
medio[And07][Ang08].
2.4.1 CAPA FÍSICA
La capa física es la capa de red más básica, aquella que proporciona los
medios para transmitir bit a bit sobre un enlace de datos físico. La capa física no
añade cabeceras de paquete, las cadenas de bits pueden ser agrupadas en
palabras o símbolos, convertidas a señales físicas y posteriormente transmitidas
sobre un medio físico. La capa física determina el bitrate22 en bit/s, es decir la
velocidad de conexión, también conocido como capacidad del canal.
- OFDM � La capa física está basada en OFDM, un método que permite
comunicaciones a alta velocidad de datos y ofrece una buena resistencia al
efecto multipath23 incluso en condiciones NLOS. Se usa, además de en la
tecnología WiMAX, en otros sistemas de banda ancha comerciales como ADSL
o Wi-Fi. OFDM pertenece a una familia de esquemas de transmisión conocida
como multicarrier modulation24, basada en la idea de dividir los datos que llegan
con un alto bitrate en conjuntos paralelos de datos a menor bitrate,
modulándolos en subportadoras o tonos.
22 Tasa de datos, número de bits que son procesados por unidad de tiempo. 23 Efecto multicamino, fenómeno de propagación que aparece cuando las señales llegan al receptor a través de dos o más caminos. 24 Modulación con varias portadoras.
- 12 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Esta modulación con varias portadoras elimina el ISI25 haciendo el ancho
de símbolo lo suficientemente grande como para hacer insignificantes los
retardos inducidos por el canal.
Las versiones móvil y fija de WiMAX usan diferentes implantaciones de
OFDM en la capa física. El WiMAX fijo basado en IEEE 802.16-2004 usa una
capa física OFDM basada en un tamaño fijo de FFT26, 256 subportadoras. 192 de
ellas son usadas para llevar datos, 8 para estimaciones de canal y
sincronización, y las 56 restantes se usan como protección de las bandas de las
subportadoras.
- OFDMA � La capa física de WiMAX móvil (IEEE 802.16-2005) está
basada en OFDMA escalable, consiguiendo el acceso múltiple mediante la
asignación de una serie de subportadoras a cada uno de los usuarios. En este
caso la FFT puede variar entre 128 y 2048 bits, pudiendo llegar a conseguir 1440
subportadoras.
- AMC � El esquema de subcanalización basado en subportadoras
contiguas en WiMAX se conoce como AMC27. Esta banda AMC permite a los
diseñadores explotar la diversidad multiusuario, dando a cada uno de ellos
unos subcanales basados en la frecuencia a la que trabajan, consiguiendo
ganancias muy importantes en cuanto a la capacidad del sistema y velocidades
muy elevadas.
25 Intersymbol Interference, distorsión que sufre una señal cuando un símbolo interfiere en los siguientes produciendo un efecto similar al ruido. 26 Fast Fourier Transform, algoritmo que calcula la transformada discreta de Fourier. 27 Adaptative Modulation and Coding, modulación y codificación adaptativa.
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 13 -
- Velocidad y ancho de banda escalables � Esta característica es única
para IEEE 802.16e-2005 con el modo escalable OFDMA. Permite adaptar la
velocidad con el ancho de banda del canal disponible. Cuanto más grande sea el
ancho de banda del canal, más grande será el tamaño de la FFT y eso implica
más subportadoras habrá en el canal facilitando un aumento de la tasa de datos
o velocidades de transmisión.
- Técnicas de múltiples antenas � A parte de las técnicas OFDM y AMC
para aumentar la tasa de transmisión, WiMAX permite incorporar antenas
adicionales al transmisor/receptor. Concretamente, la velocidad aumenta
gracias a las técnicas beamforming, codificación en espacio-tiempo, y
multiplexación espacial.
2.4.2 CAPA MAC
La tarea principal de la capa MAC de WiMAX es proporcionar una
interfaz entre las capas superiores de transporte y la capa física. En transmisión
los paquetes que la capa MAC recoge de la capa superior, llamados MSDUs28
son organizados posteriormente en MPDUs29 para su transmisión por el aire. En
recepción, el proceso se realiza a la inversa.
28 MAC Service Data Units. 29 MAC Protocol Data Units.
- 14 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
- Convergencia � El diseño incluía una subcapa de convergencia, de
manera que se pudiese trabajar con protocolos como ATM30, TDM Voice,
Ethernet, IP y cualquier futuro protocolo que se desarrolle. Dado el predominio
de IP y Ethernet en la industria, WiMAX Forum decidió soportar solo IP y
Ethernet, al menos por el momento.
- QoS � El diseño también permite soportar grandes picos de datos,
manteniendo una buena QoS31, similar a la que proporciona ATM. La MAC de
WiMAX usa MPDUs de longitud variable, ofreciendo mucha flexibilidad y
permitiendo una transmisión eficiente. QoS de WiMAX ofrece tasa de bits
constante, tasa de bits variable, flujo de tráfico en tiempo no real, y tráfico de
datos best-effort de manera que permite adaptarse a los requisitos QoS de cada
conexión de usuario.
- ARQ � La capa MAC también soporta ARQ32, usado para pedir la
retransmisión de MSDUs desfragmentadas, permite retransmitir aquellos
paquetes enviados que el transmisor no ha recibido la justificación de recepción
a través del ARQ. El receptor tiene que enviar una justificación de recepción de
cada uno de los paquetes que recibe.
- FDD y TDD � Tanto IEEE 802.16-2004 como IEEE 02.16e-2005 soportan
duplexado FDD33 y TDD34. TDD será el duplexado definitivo para el futuro de
30 Asynchronous Transfer Mode, modo de transferencia asíncrona. 31 Quality of Service. 32 Automatic Repeat reQuest, petición automática de repetición. 33 Frequency Division Duplex, duplexación en frecuencia. 34 Time Division Duplex, duplexación en tiempo.
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 15 -
WiMAX ya que dispone de más ventajas: (1) Más eficiencia espectral ya que no
son necesarias dos bandas de frecuencias. (2) Utilizando TDD se pueden tener
enlaces asimétricos y por lo tanto más flexibilidad a la hora de escoger las
velocidades de downlink35 y de uplink36, (3) reciprocidad del canal para los dos
enlaces y (4) al operar en una sola banda frecuencial, menos complejidad en los
equipos.
- Asignación de recursos � La estación base controla la asignación de
recursos a los usuarios (por ejemplo el ancho de banda en downlink y uplink).
Cuando existe diversidad multi-usuario, la asignación puede estar realizada en
tiempo (TDM), en frecuencia (OFDM) o en espacio.
- Movilidad � WiMAX móvil incluye una serie de mecanismos que
permiten mantener una conectividad móvil, de manera eficiente y robusta para
aplicaciones tolerantes a los retardos, como VoIP37 especialmente en casos de
handover38. También se usan técnicas como la estimación de canales frecuentes,
ahorro de potencia, subcanalización de uplink y control de potencia.
35 Enlace de bajada, de la estación base al receptor/usuario. 36 Enlace de subida, del terminal de usuario (receptor) a la estación base. 37 Voice over IP, voz sobre IP. 38 Cambio de estación base.
- 16 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
2.5. Comparativa
2.5.1 SISTEMAS CELULARES 3G
Los operadores móviles que usan GSM39[Rah93] están desarrollando las
tecnologías UMTS40 y HSDPA41 para su evolución 3G. Todas estas soluciones
consiguen una capacidad de datos del orden de cientos de kbps a Mbps.
HSDPA es una interfaz aérea solo de bajada (downlink) y está definida en
3GPP42 UMTS Release 5. Esta tecnología es capaz de proporcionar una tasa de
datos al usuario de 14.4Mbps, en un canal de 5MHz, si se usaran los 15 códigos
posibles, lo cuál no es implementable en terminales móviles. Si se usan entre 5 y
10 códigos, HSDPA soporta tasas de 3.6Mbps a 7.2 Mbps respectivamente. La
tasa media típica de datos que obtienen los usuarios está entre 250 y 750 kbps.
Al ser un enlace de bajada, la tasa de subida (uplink) es menor de 384 kbps, la
tasa media está entre 40 y 100 kbps.
El objetivo a largo plazo de 3GPP es conseguir soportar una tasa de datos
de 100Mbps en el enlace descendente y de 50 Mbps en el enlace ascendente.
Con el objetivo de conseguir estas velocidades y la eficiencia espectral
necesaria, la interfaz aérea deberá estar basada en OFDM/OFDMA y MIMO43,
por tanto será similar a la de WiMAX.
39 Global System for Mobile communications, sistema global de comunicaciones móviles. 40 Universal Mobile Telephone System, sistema universal de teléfonos móviles. 41 High Speed Downlink Packet Access, acceso de alta velocidad del paquete del enlace descendente. 42 3rd Generation Partnership Project. 43 Multiple Input, Multiple Output.
Capítulo 2 – La tecnología WiMAX - 17 -
2.5.2 SISTEMA WI-FI
El sistema Wi-Fi [Wif1]está basado en la familia de estándares IEEE 802.11
y está concebido como una tecnología para proporcionar cobertura en banda
ancha dentro de una red de área local LAN, dentro de edificios (indoor). Los
sistemas actuales de Wi-Fi, IEEE 802.11a/g, soportan tasas de datos de 54 Mbps
y típicamente proporcionan cobertura indoor hasta una distancia de 30m. Wi-Fi
se ha convertido en la tecnología más usada para la “última milla” en hogares,
oficinas, y lugares públicos con conexión a Internet (public hotspot locations).
Los sistemas outdoor Wi-Fi instalados pueden conseguir una cobertura de
300 metros desde el punto de acceso, una distancia muy corta comparada con
WiMAX. Por lo tanto una aplicación en un área metropolitana necesitará un
despliegue muy denso de puntos de acceso. Wi-Fi proporciona picos de datos
más altos que 3G, ya que opera en un ancho de banda de 20MHz. La
ineficiencia del protocolo que usa Wi-Fi, CSMA44 y las interferencias con las que
se encuentra en la banda exenta de licencia, reducen considerablemente la
capacidad de los sistemas outdoor de Wi-Fi.
44 Carrier Sense Multiple Access, acceso múltiple por detección de portadora.
- 18 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 3 – La red WiMAX - 19 -
33.. LLAA RREEDD WWIIMMAAXX
En este capítulo se estudiará la arquitectura de la red del sistema WiMAX
utilizado, el cuál como ya se comentó en el capitulo 2 está basado en el estándar
IEEE 802.16-2004, también conocido cómo WiMAX fijo. En éste caso
disponemos de la estación base BreezeMAX 3000, y de tres terminales CPE45.
3.1. Alvarion
Los equipos de trabajo empleados en este proyecto han sido fabricados
por Alvarion, una empresa dedicada al suministro de sistemas de banda ancha
inalámbricos tanto para compañías de telecomunicaciones ISP46 como para
operadores de redes privadas.
Fig. 4 - Logo Alvarion
Las soluciones que provee cubren la totalidad de bandas de frecuencia,
aunque principalmente se dedica al acceso en última milla, es decir: el usuario.
También encontramos aplicaciones que incluyen cobertura móvil, extensiones
de red móvil, interconexión comunitaria, comunicaciones para la seguridad
pública y conectividad de red privada.
45 Customer Premise Equipment, equipo local del cliente. 46 Internet Services Provider, proveedores de servicios de Internet.
- 20 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Alvarion fue fundada el año 2001 con la emergencia de dos
desarrolladores pioneros en acceso inalámbrico de banda ancha: BreezeCOM y
Floware. Estos ofrecían soluciones de acceso punto-multipunto. Dado que
ambas compañías se complementaban en productos ofrecidos, presencia
geográfica, clientes y canales de distribución, Alvarion se convirtió en el
protagonista del mercado de acceso a banda ancha de forma inalámbrica.
La empresa ideó WiMAX en el año 2003, con las nuevas expectativas de
acceso banda ancha. Con el potencial de WiMAX se permitía reducir los precios
y integrar las mejores tecnologías, OFDM sin visión directa (NLOS), así como
incrementar la capacidad de transmisión. La compañía se convirtió en el
miembro fundador del WiMAX Forum, institución que creó las leyes
reguladoras de la tecnología WiMAX. Alvarion adquirió Innowave, una
compañía con notable experiencia en transportar grandes volúmenes de datos y
voz, con un gran número de clientes. La compañía también anunció una
colaboración estratégica con la empresa Intel para el desarrollo de un chip
WiMAX. Esto fue seguido por el lanzamiento comercial de la estación base
BreezeMAX 3500 el año 2004, y de la terminal usuario BreezeMAX Si-CPE47 con
el chip de Intel el año 2005.
Tras pruebas en diversos países como Angola, Costa Rica, El Salvador,
Francia, Guatemala, Japón, México, EEUU y España, el nuevo sistema
BreezeMAX de Alvarion fue creado para permitir ancho de banda en cualquier
lugar y en cualquier momento. Según afirman los analistas de Maravedis
[Mar1], el 56% de las redes WiMAX desplegadas por operadores de
telecomunicaciones usan la solución de Alvarion.
47 Equipo CPE de auto-instalación (self-install)
Capítulo 3 – La red WiMAX - 21 -
3.2. Arquitectura de la red
La arquitectura de red con la que se trabaja en este proyecto se puede
observar en la figura 5, dónde encontramos:
- Estación Base BreezeMAX 3000 de Alvarion con dos antenas
trasmisoras:
• Antena sectorial de ganancia 14.5 dBi
• Antena omnidireccional de ganancia 10 dBi
- Terminales usuario WiMAX CPE:
• Si-CPE, este terminal lleva seis antenas integradas y no
necesita conexión a ninguna antena externa
• IDU-CPE-1D2V SIP-RJ, este terminal hace de puente entre la
red LAN de usuario y la red radio del proveedor WISP48.
Necesita una unidad radio outdoor ODU49 que hace de interfaz
entre el medio guiado y el enlace radioeléctrico. Disponemos
de dos terminales CPE-ODU:
� PRO-CPE-ODU-SA � Incorpora una antena directiva
integrada con polarización V/H de 17 dBi de ganancia
� PRO-CPE-ODU-SE � Se conecta a una antena
omniazimutal externa, en nuestro caso tiene
polarización VV y 2 dBi de ganancia.
48 Wireless Internet Service Provider, proveedor del servicio de Internet sin cables. 49 Outdoor Unit, unidad externa.
- 22 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 5 – Arquitectura de la red
3.2.1 LA ESTACIÓN BASE
BreezeMAX es una tecnología creada por Alvarion que se ajusta a los
estándares IEEE 802.16e y utiliza la tecnología OFDM para una avanzada
funcionalidad en NLOS. Su diseño soporta velocidades de ancho de banda y
calidad de servicio QoS, permitiendo a los operadores ofrecer servicios a miles
de abonados con tal solo una estación base.
Fig. 6 - Micro Estación Base BreezeMAX Alvarion
Capítulo 3 – La red WiMAX - 23 -
La banda de frecuencias en la que trabaja se encuentra entre los 3 y los
4GHZ, concretamente hay 3 bandas: 3.3, 3.5 y 3.6 GHz. Desde su lanzamiento a
mediados de 2004, BreezeMAX se ha consolidado como el sistema WiMAX más
popular en el mundo, habiéndose implantado más de 300 instalaciones en más
de 100 países.
La microestación base con la que trabajamos, mostrada en la figura 6,
soporta full duplex, alta potencia y múltiples portadoras, debido a la
modulación OFDM. Esta μBST50 ha sido diseñada como alternativa a la estación
base modular, es una solución de bajo coste para lugares donde encontramos
pocas unidades suscritoras SU51, como sucede en nuestro caso. La unidad μBST
indoor se conecta a los terminales de usuario SU vía radio, a través de la unidad
radio outdoor o AU-ODU52. La unidad AU-ODU de la micro estación base es
igual que la de la estación BreezeMAX modular, se conecta a una antena
externa y soporta un ancho de banda hasta 14 MHz. La unidad indoor y la
outdoor se conectan a través de un cable de frecuencia intermedia FI que
transporta datos en full duplex, señal de control, de gestión y un reloj de 64
MHz para la sincronización. Las frecuencias de transmisión y recepción son 240
y 140 MHz respectivamente.
En este proyecto usamos la unidad AU-ODU estándar (mostrada en la
figura 7), con una potencia de salida máxima de 28 dBm, aunque también existe
la versión de alta potencia AU-ODU-HP con una potencia de salida máxima de
34 dBm. Usaremos también la antena sectorial de 14.5 dBi de ganancia, que se
observa en las figuras 8 y 9.
50 Micro estación base. 51 Subscriber Unit 52 Acces Unit ODU
- 24 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 7 - Unidad de antena, AU-ODU
Fig. 8 - Antena sectorial de 14.5 dBi. Vista
frontal
Fig. 9 - Antena sectorial de 14.5 dBi.
Vista trasera
Capítulo 3 – La red WiMAX - 25 -
En la Tabla se resumen las especificaciones de la micro estación base
utilizada[Bree1].
Banda (MHz) Uplink Downlink Frecuencia
AU-ODU-3.5b 3450-3500 3550-3600
Modo de operación
Full duplex, FDD53
Ancho de banda del canal
3.5 MHz
1.75 MHz
Resolución frecuencia central
0.125 MHz
Puerto de antena
50 Ohm
Máx. potencia de entrada a la
antena
-50 dBm producen saturación
-17 dBm producen deterioro
Rango potencia de salida
13dBm – 28 dBm
Modulación OFDM 256, BPSK, QPSK, QAM16 y QAM64
Throughput downlink/uplink
Máx: 12 Mbps con QAM 64 3/4
Mín: 1.25 Mbps con BPSK 1/2
Máximo # SU 250 usuarios
Multiplexado TDMA
Tabla 3 - Especificaciones de la microestación base BreezeMAX 3000
53 Frequency-division duplexing
- 26 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
3.2.2 LOS EQUIPOS DE ABONADO
Si-CPE son las siglas del terminal WiMAX de fácil instalación (Self-install).
Este terminal no requiere orientación hacia la estación base, ya que incluye seis
antenas integradas y no requiere servicio técnico especializado. Es un terminal
ligero y móvil para entorno doméstico. Ésta diseñado para aplicaciones indoor
e incorpora un chip WiMAX Pro/Wireless 5116 de Intel. Se encuentra disponible
en la banda de 3.5 GHz, soporta frecuencias de downlink desde 3499.5 MHz con
100MHz de separación duplex. Con sus 6 antenas integradas se consigue una
cobertura de 360º.
Se trata de una plataforma apta para una gran variedad de servicios de
banda ancha y conexiones de datos a la estación base, y se conecta al equipo del
usuario a través de un puerto Ethernet 10/100 BASE-T soportando hasta 512
direcciones MAC.
Podemos ver el aspecto del terminal en la figura 10, sus características
básicas en la tabla 4 y las especificaciones de la antena externa en la tabla 5
[Bree2].
Fig. 10 - Terminal Si-CPE
Capítulo 3 – La red WiMAX - 27 -
Uplink 3399.5-3500 MHz Frecuencia
Downlink 3499.5-3600 MHz
Modo de operación FDD, Half duplex.
Ancho de banda de canal 1.75 MHz
3.5 MHz
Resolución de la frecuencia central
0.125 MHz
Antenas Integradas Array de conmutación de haz compuesto de 6 antenas de
60º de azimut y 9 dBi de ganancia
Puerto de antena externa
SMA, 50 Ohm
Máxima potencia de entrada a la antena
-20 dBm antes de la saturación
0 dBm antes del deterioro de la antena
Rango de potencia de transmisión
[-24 dBm, 22 dBm] usando 1 dBm de resolución. Potencia
de Tx máxima: 22 dBm +/- 1 dB máximo. Rango dinámico
ATPC: 46 dB
Modulación Modulación OFDM 256
BPSK, QPSK, QAM16, QAM64
FEC Codificación Convolucional 1/2, 2/3, 3/4.
Throughput bruto: downlink/uplink
Máximo: 12 Mbps, con QAM 64 3/4.
Mínimo: 1.25 Mbps con BPSK 1/2
Tabla 4 - Características Si-CPE
- 28 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
IDU54-CPE-1D2V SIP55-RJ56 es el terminal WiMAX de emplazamiento fijo
conectado a una antena externa que se orienta en dirección a la estación base,
podemos ver el terminal IDU-CPE utilizado en la figura 11. No es un terminal
móvil sino que está destinado a un emplazamiento fijo y se requiere un servicio
técnico especializado que realice las mediciones adecuadas para orientar el
terminal de manera óptima.
Ganancia 12dBi
Polarización Lineal - vertical
Ancho de haz 75º horizontal, 16º vertical
Dimensiones (cm) 33x9.3x2.1
Peso (g) 190
Tabla 5 - Especificaciones antena externa Si-CPE
Se trata un equipo para aplicaciones indoor pensado para ofrecer a los
usuarios una combinación entre VOIP (telefonía por IP) y servicios de datos de
banda ancha. Dispone de una interfaz Ethernet, soporta códecs de habla
estrechos y anchos, supresión del silencio, cancelación del eco de línea y
parámetros de telefonía regionales.
54 InDoor Unit, unidad indoor. 55 Session Initiation Protocol, protocolo de inicio de sesión 56 Registered Jack, tipo de conector utilizado.
Capítulo 3 – La red WiMAX - 29 -
El terminal WiMAX CPE-IDU-DV soporta el protocolo DRAP57, un
protocolo basado en IP/UDP entre el IDU-DV i un servidor que es capaz de
proporcionar de forma dinámica asignación de recursos (ej: ancho de banda) en
realizaciones de llamadas. Mediante el uso de este protocolo no es necesaria
una configuración específica en el IDU-DV ya que el protocolo proporciona un
mecanismo de autodescubrimiento de forma que el IDU-DV puede localizar y
registrarse con el servidor DRAP.
El IDU-DV se comunica con la unidad BreezeMAX PRO-CPE[Bree3] y le
proporciona potencia (54 VDC) sobre un cable con conector RJ-45. La unidad
ODU incluye un módem, cabezal RF, procesamiento de datos y una antena
plana de 17 dBi de ganancia o una conexión a una antena externa, tal y como se
describe en la tabla 5. El CPE-ODU proporciona conexiones sirviendo como una
plataforma eficiente para servicios de banda ancha. El ODU proporciona
conexión a la estación base, funcionalidad como bridge, clasificación y
configuración del tráfico. Esta unidad puede tener una antena directiva
incorporada como es el caso del modelo SA o debe conectarse a una antena
externa como es el caso del modelo SE. En el modelo SE, la antena que se ha
utilizado es una omniazimutal de 2.5 dBi de ganancia y cuya forma redonda se
muestra en la figura 12 junto con la unidad outdoor del modelo SA.
57 Dynamic Resource Allocation Protocol, protocolo de localización de recursos dinámicos
- 30 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 11 - Terminal WiMAX indoor IDU-1D2V Fig. 12 – Unidades ODU PRO-S-CPE,
modelos SA y SE
3.3. Gestión de la red
3.3.1 BREEZELITE
En cualquier red de telecomunicaciones se necesita una herramienta para
gestionar la comunicación. En el caso de este proyecto, los equipos de Alvarion
(estación base y terminales de usuario) son gestionados mediante la aplicación
BreezeLITE [Bree4], una aplicación propia de Alvarion que se instala en el
ordenador y se conecta al puerto de gestión mediante un cable de red
100BASE-T.
Capítulo 3 – La red WiMAX - 31 -
Esta aplicación cuenta con el protocolo SNMP58 que permite interactuar
con los equipos mediante sus direcciones IP.
Las principales características de BreezeLITE son:
- Administrar localmente la estación base. En esto influye la recopilación
de información como por ejemplo número de paquetes
enviados/recibidos/eliminados a cada una de las interfaces: data, management y
wireless. La gestión influye básicamente:
a) Parámetros de la interfaz radio: ATPC59, Multirate support (modulación
adaptativa), ARQ híbrido, nivel de potencia de recepción óptima (Optimal
RSSI60), ancho de banda, potencia de emisión y frecuencia de operación en los
canales de uplink y de downlink.
b) Parámetros de las interfaces de red (DATA61 y MGMT62): dirección IP,
máscara de red, puerta de enlace predeterminada, velocidad y duplexado y
para el caso del puerto Data, la VLAN63 ID.
- Administrar remotamente los SU. Con BreezeLITE es posible añadir más
unidades suscriptoras a la red a través de su dirección de enlace MAC. Aquí la
gestión de los SUs se divide en dos partes:
58 Simple Network Management Protocol. 59 Automatic Transmission Power Control, o control automático de potencia. 60 Received Signal Strength Indicator, indicador de la potencia de señal recibida. 61 Puerto de datos (data) 62 Puerto de gestión (management) 63 Virtual LAN IDentifier
- 32 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
a) Cuando se añade un nuevo SU: Se puede configurar al inicio si el CPE
utilizará ATPC, Multirate support (igual que en la estación base), identificación
de la BS64 a la que se asociará, ancho de banda y frecuencia de uplink. A parte de
los parámetros de nivel físico también se puede configurar el número máximo
de usuarios que va a permitir el CPE.
b) Cuando se administra un SU activo previamente configurado: En este
caso se puede recopilar información a nivel físico así como si el ATPC está
activo o no, última modulación que se usa, ancho de banda, frecuencia de
uplink, uplink SNR65/RSSI, downlink SNR/RSSI, el total de bursts con sus BER66
transmitidos/recibidos en todas las constelaciones y la cantidad de bytes de
datos enviados/recibidos y descartados en Tx67 y en Rx68 tanto en las interfaces
Ethernet como en las interfaces wireless.
- Monitorización. La monitorización con BreezeLITE permite analizar el
rendimiento de la red mostrando información referente al estado y a los
parámetros físicos de cada SU y de la BS (SNR de uplink y downlink, potencia
de transmisión (variable con ATPC), niveles de potencia recibidos en ambas
partes…).
- Servicios Quality of Service. BreezeLITE permite asignar perfiles QoS en
cada uno de los canales de subida y de bajada para cada SU. Estos perfiles
incluyen: RT-VBR69, NRT-VBR70, BE71 y Committed Guarantee. La finalidad de
64 Base Station, estación base. 65 Signal to Noise Ratio, relación señal a ruido. 66 Bit Error Rate, tasa de error de bits. 67 Transmisión 68 Recepción 69 Real Time-Variable Bit Rate 70 Non Real Time-Variable Bit Rate 71 Best Effort
Capítulo 3 – La red WiMAX - 33 -
los perfiles de QoS es poder proveer distintos tipos de tráfico (sensibles o no al
retardo) a una velocidad adaptable a la necesidad de cada aplicación de usuario
(ejemplo: voz como videollamadas equivale a un RT-VBR y navegación por
Internet a un Best Effort o a un NRT-VBR) de manera que aquellos más
sensibles se les dará mayor calidad de servicio frente a los menos sensibles al
retardo.
- Filtrado de tramas. Mediante la opción de filtrado que BreezeLITE lleva
incorporada se puede admitir/denegar el acceso a la red wireless/cableada de la
operadora a aquellos dispositivos (de usuario y CPEs) que sus direcciones
MAC/IP se hayan configurado previamente en la estación base.
3.3.2 CONFIGURACIÓN DE LA ESTACIÓN BASE
A continuación se describen los pasos básicos para configurar la micro
estación base WiMAX de Alvarion mediante el programa de gestión
BreezeLITE.
Con la configuración básica se tendrá una red WiMAX funcionando
cumpliendo los requisitos de nivel físico.
En la pestaña General que se observa en la figura 13 se pueden añadir
identificadores con un nombre, una localización y un contacto. También
encontramos información referente al equipo (versión del firmware,
temperatura, tiempo de funcionamiento…) y otros parámetros de
configuración.
En la pestaña Air Interface [IEEE2] mostrada en la figura 14 se deben
configurar los parámetros citados a continuación.
- 34 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
• Identificación de la BS: La identificación de la estación base consta de 6
grupos de tres dígitos cada uno. Los primeros 3 grupos definen el ID del
operador de red, los siguientes dos grupos definen la identificación de la
celda en concreto y el último grupo define la identificación del sector.
• ARQ Status: El parámetro ARQ habilitado/deshabilitado controla si se
usa un algoritmo ARQ para detectar errores y solicitar retransmisiones
de mensajes unicast (aplicable solo para servicios Best Effort y Non Real
Time).
• Max. Cell Radius: Este parámetro es usado para adaptar varios
parámetros de timing de nivel MAC en el momento en que se recibe un
mensaje para alcanzar su destinación. El retardo temporal es
dependiente sobre la distancia entre transmisor y receptor. Los
parámetros de timing deberían ser adaptados al retardo más grande
esperado, es decir, la distancia más grande entre la estación base y el
terminal SU servido por ésta. Un SU que se encuentre localizado a una
distancia mayor que el configurado en este parámetro, será rechazado
durante el proceso de acceso a la red. Este parámetro debe de ser de 10
km. o equivalentemente el tiempo de símbolo que es de 68μs.
• Multi Rate Support: Aquí se configuran las constelaciones básicas que se
usarán en los enlaces de uplink/downlink y además se debe tener activado
el algoritmo de modulación y codificación adaptativa.
• Bandwidth: Ancho de banda del sistema, en el caso de WiMAX 802.16-
2004 éste valor corresponde a 3.5 MHz.
• ATPC Parameters: Se especifica el nivel óptimo de potencia en recepción
en la estación base en el que todas las transmisiones deberían ser
recibidas por las unidades AU-ODU para asegurar un rendimiento
óptimo. El rango es de -103:-60 dBm. Por otro lugar el algoritmo de
control automático de potencia debe estar habilitado.
Capítulo 3 – La red WiMAX - 35 -
La pestaña ODU que se muestra en la figura 15 la utilizamos para
especificar la potencia de transmisión (sin considerar la antena) La banda de
frecuencia configurada es la 3.5b equivalente a uplink: 3450-3500 MHz y
downlink: 3550-3600 MHz. La frecuencia de transmisión de downlink se
configura en la pestaña Channels como se indica en la figura 16.
Para que los usuarios puedan acceder a Internet se debe conectar la
estación base a un router y configurar las direcciones de sus interfaces de red y
de gestión. La figura 17 muestra la configuración que se tiene en la estación
base WiMAX.
Fig. 13 - Configuración general
- 36 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 14 - Configuración de la Interfaz Aérea
Fig. 15 - Configuración de la potencia de transmisión
y de la banda de frecuencia utilizada
Capítulo 3 – La red WiMAX - 37 -
Fig. 16 - Configuración de los canales de transmisión
Fig. 17 - Configuración del puerto de Datos y del puerto de Control
- 38 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
3.3.3 EL PROTOCOLO SNMP
El “Protocolo Simple de Administración de Red” o SNMP72 es un
protocolo de la capa de aplicación que facilita el intercambio de información de
administración entre dispositivos de red y forma parte de la familia de
protocolos TCP/IP. SNMP utiliza un servicio no orientado a conexión y permite
a los administradores supervisar el funcionamiento de la red, buscar y resolver
sus problemas así como planear su crecimiento. Las versiones de SNMP más
utilizadas son SNMP versión 1 (SNMPv1) y SNMP versión 2 (SNMPv2). La
última versión (SNMPv3) no ha sido demasiado aceptada en la industria pese a
que muestra cambios significativos, sobre todo en aspectos de seguridad.
Una red administrada a través de SNMP consiste de tres componentes
claves:
Dispositivos administrados: es un nodo que encontramos en la red
administrada y que contiene un agente SNMP. Su función es recoger y
almacenar información de administración, que es puesta a disposición de los
NMS73 usando el protocolo SNMP. En nuestro caso los dispositivos que se
administrarán son los equipos de los usuarios (CPE), y en un caso más general
las demás estaciones base y equipos suscritores de cada uno de los abonados.
También podemos designar como elementos administrados routers, switches,
hubs, impresoras y demás elementos en red.
• Agente: se trata de un módulo para administrar la red, residente sobre
un dispositivo administrado que conoce la información de
administración (memoria libre, número de paquetes IP recibidos,
72 Simple Network Management Protocol 73 Networking Management Systems
Capítulo 3 – La red WiMAX - 39 -
rutas…), la cual es traducida a un formato compatible con SNMP y
organizada en jerarquías.
• NMS, Networking Management System: Los “Sistemas administradores de
red” ejecutan aplicaciones que supervisan y controlan a los dispositivos
administrados. Proporcionan la totalidad de recursos de procesamiento y
memoria requeridos para la administración de dicha red.
Los dispositivos administrados son supervisados y controlados usando
cuatro comandos SNMP básicos:
- Lectura: El comando de lectura es usado por un NMS para supervisar
elementos de red. El NMS examina diferentes variables que son mantenidas por
los dispositivos administrados.
- Escritura: El comando de escritura es usado por un NMS para controlar
elementos de red. El NMS cambia los valores de las variables almacenadas
dentro de los dispositivos administrados.
- Notificación: El comando de notificación es usado por los dispositivos
administrados para reportar eventos en forma asíncrona a un NMS. Cuando
cierto tipo de evento ocurre, un dispositivo administrado envía una notificación
al NMS.
- Operaciones transversales: Las operaciones transversales son usadas por
el NMS para determinar qué variables soporta un dispositivo administrado y
para recoger secuencialmente información en tablas de variables.
- 40 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
3.3.4 GESTIÓN DEL TERMINAL DE USUARIO
En el caso del proyecto contaremos con tres usuarios de red en tres
posiciones distintas alrededor de la estación base, que conectan su ordenador
portátil a una antena directiva PRO-CPE-SA mediante la unidad indoor IDU-
ID2V a través del puerto de red. Introduciendo en el explorador la dirección IP
configurada en BreezeLITE, accedemos a la interfaz de control de la terminal
CPE de usuario. La aplicación de gestión del CPE puede observarse en las
figuras 18 y 19.
Desde la pestaña Performance Monitoring (Figura 19) veremos de forma
muy cómoda los indicadores de SNR en los enlaces de bajada y de subida, DL y
UL respectivamente, los correspondientes indicadores de RSS, las tasas de
transmisión óptima y última y la última potencia que se ha transmitido en
enlace de subida.
Dado el objetivo de este proyecto, el indicador que nos interesa es el de la
DL RSSI ya que los cálculos de posicionamiento se realizarán a partir de éste
parámetro. Dichos cálculos se estudiarán en el capítulo 5 y se llevarán a cabo en
el capítulo 6.
Capítulo 3 – La red WiMAX - 41 -
Fig. 18 - Pestaña de Información sobre la unidad PRO-CPE
Fig. 19 - Pestaña de Monitorización de la unidad PRO-CPE
- 42 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 43 -
44.. SSIISSTTEEMMAASS DDEE PPOOSSIICCIIOONNAAMMIIEENNTTOO
Un sistema de posicionamiento es un mecanismo para determinar la
posición de un objeto en el espacio. Las tecnologías usadas con este fin pueden
tener una cobertura global del mundo entero con precisión de metros, o
coberturas locales en lugares determinados con precisiones que podrían llegar a
centímetros.
A lo largo del capítulo se van a estudiar diversos sistemas de
posicionamiento que existen hoy en día. En el último apartado se estudiará el
caso tratado en este proyecto, un sistema de posicionamiento para interiores y
las complicaciones que ello conlleva debido a la gran cantidad de obstáculos
con los que se encuentra la señal.
4.1. Sistemas interplanetarios
Los sistemas de comunicación interplanetarios por radio no solo sirven
para comunicarse con la nave espacial, sino que también son usados para
determinar su posición. Esto puede conseguirse usando un transpondedor o
transponder74 a bordo de la nave espacial y que devuelva la señal de radio a la
tierra, o bien usando Radar. Las señales de orientación pueden obtenerse
mediante star trackers75.
74 Dispositivo utilizado en telecomunicaciones que fusiona transmisor y receptor. 75 Dispositivos ópticos que miden la posición de las estrellas mediante fotodetectores.
- 44 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.2. Sistemas globales
Los sistemas globales de navegación por satélite GNSS76 permiten a ciertos
receptores determinar su posición en un espacio de tres dimensiones con una
precisión de 2 a 20 metros en decenas de nanosegundos. Los sistemas
desarrollados en la actualidad usan señales de microondas que ofrecen
fiabilidad en escenarios outdoor y cubren prácticamente toda la superficie
terrestre.
Los sistemas existentes más conocidos son GPS (totalmente operacional
desde 1995, pertenece al sistema militar de los Estados Unidos), GLONASS
(completado parcialmente por el sistema militar ruso) y Galileo (un sistema
planeado con fines civiles en Europa) que se van a estudiar a continuación.
También se analizarán otros sistemas de posicionamiento que –como se verá-
están basados en GPS.
4.2.1 GPS, GLOBAL POSITIONING SYSTEM
El sistema de posicionamiento global GPS usa una serie de satélites para
calcular la posición del usuario. Ésta tecnología se usada tanto en sistemas de
navegación para vehículos como en terminales móviles. El terminal encuentra
su posición mediante 3 -o idealmente 4- satélites, la información que recibe de
éstos es procesada con tal de encontrar la posición. El gobierno de los Estados
Unidos distorsionó la señal de los relojes de los satélites para reducir la
precisión a los usuarios de carácter general, restringiéndola a los usuarios
militares a los cuales iba dirigido el sistema GPS.
76 Global navigation satellite systems, sistemas globales de navegación por satélite
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 45 -
En mayo del año 2000 se proporcionó la precisión de la que se disponía a
los usuarios civiles y ahora se pueden obtener resultados muy exactos, con
precisiones de 5-40m cuando el cielo está despejado.
La constelación está formada por una red de 27 satélites, 24 de ellos
operativos y 3 de repuesto, que se encuentran en órbita sobre la Tierra, a una
altura de 20.200 km. Dicha constelación puede observarse en la figura . Sus
trayectorias están sincronizadas para cubrir toda la superficie del globo
terrestre, hay 4 satélites en cada una de las 6 órbitas con inclinación de 55º
respecto al ecuador. El periodo de los satélites es de 11h 56’, es decir 12 horas
sidéreas y tienen una vida útil de aproximadamente 7 años y medio.
Fig. 20 - Constelación del sistema GPS
Cuando se desea medir la posición de un usuario, el receptor localiza un
mínimo de tres satélites de la constelación, de los que recibe una serie de
señales que le informan de la posición y el reloj de cada uno de ellos. El aparto
sincroniza el reloj del GPS y calcula el retraso en la llegada de las señales,
encontrando la distancia al satélite. Con éstas tres distancias se consigue la
estimación de la posición mediante un algoritmo de triangulación.
- 46 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
A parte de la posición se consigue también una gran exactitud en el reloj
del GPS, parecida a la de los relojes atómicos que llevan a bordo cada uno de los
satélites.
4.2.2 GLONASS, GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM
El sistema GLONASS es un sistema de navegación desarrollado por la
antigua Unión Soviética y usado actualmente por el gobierno ruso para las
Fuerzas Aéreas Rusas. Es una alternativa a GPS, al sistema de navegación chino
Compass y al sistema Galileo de la Unión Europea.
El desarrollo de GLONASS empezó en 1976, consiguiendo cobertura
global el año 1991. Desde el 12 de octubre de 1982 diversos cohetes añadieron
satélites al sistema, aunque no se completó la constelación hasta el año 1995. El
sistema sufrió el colapso de la economía rusa, y quedó inoperativo hasta que el
año 2001 Rusia se propuso restaurarlo, diversificándose en estos últimos años y
restaurando la cobertura global en el pasado 2009.
GLONASS se desarrolló con el propósito de proporcionar la posición a
tiempo real y la velocidad de un dispositivo móvil. Inicialmente fue usado por
los militares soviéticos para navegación y detección de misiles. En la segunda
generación del sistema se mejoró el sistema Tsiklon el cual necesitaba entre una
y dos horas para calcular la posición con precisión. Cuando un receptor
GLONASS rastreaba las señales del satélite podía conseguir la posición
instantáneamente, consiguiendo una precisión horizontal de unos 50-70 metros,
precisión vertical de aproximadamente 70 metros, sensibilidad de 15 cm/s en la
velocidad y tiempo de transmisión menor a 1 μs.
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 47 -
Una constelación de GLONASS completamente operacional consiste en 24
satélites, 21 de ellos usados para transmitir señales y los otros 3 de repuesto,
desplegados en tres planos orbitales. Los tres planos orbitales están separados
120º y cada uno de ellos contiene 8 satélites equiespaciados. Las órbitas son
circulares, con una inclinación de aproximadamente 64,8º, y a una altitud de
19.100 km respecto la órbita de la tierra, correspondiendo con un periodo
orbital de 11h 15’.
Los satélites cruzan el ecuador de uno en uno, y cuando la constelación
está completa podemos ver un mínimo de cinco satélites en cualquier punto de
la tierra y en cualquier momento.
Una característica de la constelación GLONASS es que un determinado
satélite pasa por un mismo punto de la Tierra cada ocho días siderales (cuya
duración es de 23 horas 56 minutos y 4,1 segundos aproximadamente, mientras
que el día solar es de 24 h), pero al tener ocho satélites en cada plano, cada día
sideral algún satélite pasa por ese punto. En GPS, en cambio, cada uno de sus
satélites pasa por el mismo punto una vez cada día sideral.
Fig. 21 - Logo de GLONASS
- 48 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.2.3 GALILEO
El sistema global de navegación por satélite Galileo está siendo
desarrollado por la Unión Europea con el objetivo de eliminar la actual
dependencia con los sistemas GPS y GLONASS. Éste sistema de navegación
debería estar operativo para el año 2013 y será de uso civil.
El servicio planea prestar servicios de radionavegación y
posicionamiento, el usuario podrá calcular su posición con un receptor que
utilizará satélites de cualquiera de las constelaciones, inclusive las de GPS y
GLONASS. Al ofrecer dos frecuencias, Galileo brindará posicionamiento en el
espacio en tiempo real, con precisión de metros.
Las órbitas de los satélites de Galileo estarán ligeramente más inclinadas
hacia los polos, de modo que los datos serán más exactos en las zonas más
cercanas a los polos, donde los satélites americanos pierden su precisión.
Fig. 22 - Logo de Galileo
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 49 -
A continuación se van a estudiar otros sub-sistemas que pueden ser
basados en GPS o complementarios a él.
Fig. 23 - Diversos sistemas de posicionamiento
4.2.4 A-GPS, ASSISTED GPS
La red del sistema A-GPS tiene receptores de GPS fijos que son colocados
en intervalos regulares cada 200 o 400 km, con el propósito de entregar datos
que complementan las lecturas del terminal. Los datos de asistencia son
transmitidos cada hora y hacen que sea posible para el receptor hacer medidas
de tiempo con los satélites sin que sea necesario decodificar los mensajes. Con
esta asistencia se reduce mucho el tiempo necesitado por el receptor para
calcular la posición, sin ella el tiempo TTFF77 es de unos 20-45 segundos, y con
los datos de asistencia éste tiempo se reduce a 1-8 segundos.
77 Time to First Fix
- 50 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.2.5 E-OTD, ENHANCED OBSERVED TIME DIFFERENCE
El sistema de diferencia de tiempo observada E-OTD sólo usa software en
el terminal. Para llevar a cabo los algoritmos del sistema tanto en el modo idle
(cuando el terminal no está llevando a cabo ninguna llamada) como en el modo
dedicated (se está llevando a cabo una llamada), los dispositivos deben estar
diseñados con memoria y potencia de procesado adicionales. El procedimiento
E-OTD usa los datos recibidos de las estaciones base de los alrededores para
medir la diferencia de tiempo que tarda la señal en llegar al terminal. Con esa
diferencia de tiempo se calcula dónde está el usuario en relación a esas
estaciones base.
Esto requiere que las posiciones de las estaciones base sean conocidas y
que los datos enviados desde ellas estén sincronizados. Generalmente se
sincronizan mediante receptores de GPS fijos. El cálculo puede ser llevado a
cabo tanto en el terminal como en la red. La precisión que se puede esperar con
este sistema es de unos 125 m, y –a diferencia que con GPS- no es relevante si el
cielo está despejado o no.
4.2.6 CGI-TA, CELL GLOBAL IDENTITY-TIMING ADVANCE
El sistema de identificación global de celdas CGI usa los datos de
identidad de cada celda (área de cobertura de una estación base) para localizar
al usuario. Esto es complementado con la información de TA. El tiempo TA es
el tiempo medido entre el envío de una trama de datos a una estación base y su
recepción, es decir el tiempo que tarda la señal en llegar a la BS. Ésta
información de TA ya está incluida en la red, y la precisión es buena cuando las
celdas son pequeñas, de unos pocos cientos de metros.
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 51 -
Para servicios en los que el objetivo es encontrar lugares próximos al
usuario –y no es tan importante el conocer la posición exacta de éste- el método
CGI-TA es muy barato y útil. La precisión depende del tamaño de la celda: para
una microcelda dentro de un edificio (indoor) encontramos precisiones de 10m,
mientras que para macroceldas en el exterior de edificios (outdoor) la precisión
podría empeorarse hasta unos 500 m.
4.2.7 TOA, TIME OF ARRIVAL
El enlace de subida -uplink- del sistema TOA trabaja de manera similar a
E-OTD, la diferencia está en que los datos del uplink en TOA, es decir los datos
enviados por el terminal, son medidos. Las estaciones base calculan el tiempo
de llegada de los datos desde el terminal, y esto requiere al menos tres
estaciones bases disponibles para llevar a cabo las medidas. Las estaciones base
calculan el tiempo de diferencia (difference time) y lo combinan con las lecturas
del tiempo absoluto usando relojes de GPS. Tanto E-OTD como TOA son muy
parecidos, pero TOA se puede usar en la mayoría de terminales del mercado. El
inconveniente de TOA es que requiere un equipo de monitorización instalado
en todas las estaciones base, lo que hace que sea el procedimiento de
posicionamiento más caro de implementar.
- 52 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.3. Sistemas regionales
Estas redes de transmisores tienen receptores de radio especializados para
determinar su posición en dos dimensiones en la superficie de la tierra. Son
menos precisos que los sistemas GNSS ya que la propagación de las señales no
está restringida a la visión directa LOS, y sólo tienen cobertura regional. Aun y
así, son muy útiles para propósitos específicos y como soporte a otros sistemas
ya que sus señales se pueden recibir incluso bajo tierra y en entornos indoor, y
sus receptores pueden ser instalados de manera que consuman muy poca
batería.
4.3.1 LORAN-C
Un buen ejemplo de sistema de posicionamiento regional es LORAN-C, la
versión actual de LORAN (Long Range Navigation) un sistema de navegación
terrestre por ondas de radio que se empezó a utilizar en los años 40 durante la
Segunda Guerra Mundial. LORAN usa transmisores radio de baja frecuencia y
que determina la posición y la velocidad del receptor mediante cálculos de
multilateración, usando múltiples transmisores. LORAN trabaja a baja
frecuencia en el rango de 90 a 110 kHz, y está presente en Estados Unidos,
Japón y algunos países europeos.
Rusia usa un sistema parecido llamado Chayka. El uso de LORAN está
siendo substituido por GPS, aunque se está impulsando su utilización conjunta
como apoyo del sistema GPS. Desde noviembre del 2009, la guardia costera de
los EUA anunció que LORAN-C ya no será usado para navegación marítima.
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 53 -
4.4. Sistemas específicos para un entorno de trabajo
determinado
Estos sistemas han sido diseñados para cubrir solo un espacio restringido,
típicamente unos pocos metros cúbicos y en este espacio ofrecen una precisión
de milímetros. Generalmente proporcionan posicionamiento y orientación en
seis dimensiones (6-D). Algunos ejemplos de aplicaciones incluyen entornos de
realidad virtual, herramientas de alineamiento para cirugía asistida por
ordenador y radiología, y también herramientas cinematográficas como motion
capture o match moving.
Fig. 24 - Control remoto de la consola Wii
También encontramos este tipo de sistema en el control remoto de la
consola Wii de Nintendo que se observa en la figura 24, y en el sistema de
rastreo Polhemus usado con fines tecnológicos, militares y médicos.
- 54 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.5. Sistemas híbridos
Éstos sistemas de posicionamiento son capaces de calcular la posición de
un dispositivo móvil usando varias tecnologías distintas. Se puede combinar el
cálculo de una posición con las señales que provienen de las cell towers – lugar
dónde encontramos una serie de antenas y equipamiento electrónica alrededor
de una torre de radio, creando una celda en un sistema celular de
telecomunicaciones - o las que provienen de sistemas inalámbricos como Wi-Fi,
WiMAX, Bluetooth u otros sistemas de posicionamiento local.
Éstos sistemas están específicamente diseñados para vencer las
limitaciones del sistema GPS, el cuál es realmente efectivo en zonas abiertas
pero muy inexacto en escenarios indoor o en zonas que se encuentran entre
edificios muy altos, debido al efecto “urban canyon” que empeora de manera
drástica la recepción de señales GPS.
Las señales emitidas por una cell tower no empeoran ni son obstaculizadas
por edificios ni debido a la meteorología, pero proporcionan un
posicionamiento menos preciso. Los sistemas de Wi-Fi y WiMAX podrían
proporcionar un buen posicionamiento, pero sólo seria posible en áreas urbanas
con una alta densidad de estaciones base y puntos de acceso.
A continuación se van a estudiar algunos servicios de posicionamiento
proporcionados sobretodo en EUA que han desarrollado y están usando
algunos de los sistemas híbridos analizados.
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 55 -
4.5.1 NAVIZON
Navizon es un sistema híbrido de posicionamiento que combina GPS,
Wi-Fi y técnicas de triangulación por celdas. Calcula la posición geográfica de
un dispositivo inalámbrico mediante el análisis de las señales de puntos de
acceso Wi-Fi y cell towers de los alrededores y los compara con posiciones
conocidas y almacenadas en su base de datos. Además Navizon tiene la
capacidad de funcionar en segundo plano, permitiendo al usuario abrir otras
aplicaciones en su dispositivo a la vez que está usando éste servicio. El software
puede ser instalado en varios productos como por ejemplo iPhone, Blackberry,
Symbian S60, teléfonos móviles con el sistema operativo Windows Mobile o con
Java ME.
Navizon fue el primer “GPS virtual” disponible y el más descargado en
iPhone. El software usa una tecnología única para mejorar la cobertura y la
precisión del sistema, y cubre Estados Unidos, Europa y áreas urbanas de todo
el mundo. En el año 2008, había ya 700.000 personas en todo el mundo
registradas a Navizon.
Fig. 25 - Sistema Navizon
- 56 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.5.2 PLACEENGINE
El sistema PlaceEngine de Sony, utiliza redes inalámbricas de Wi-Fi para
calcular la posición. Es un sistema útil sobretodo en ciudades con alta densidad
de puntos de acceso Wi-Fi y ha sido usado en dispositivos como por ejemplo la
cámara Sony Cybershot DSC-G1 que proporciona geolocalización para las fotos
mediante PlaceEngine al carecer de GPS en el dispositivo, o la PlayStation
portátil PSP que también dispone de acceso Wi-Fi y por ello se puede usar este
sistema de localización.
Fig. 26 - Sistema PlaceEngine de Sony
4.5.3 XTIFY
Xtify es una aplicación móvil que proporciona posicionamiento. Actúa
como puente entre usuarios de smart phones – teléfonos móviles “inteligentes”-
y desarrolladores web, permitiendo a éstos conocer la posición del dispositivo
con propósitos inicialmente comerciales. Xtify funciona en teléfonos móviles
Blackberry, Android, Symbian y Windows Mobile.
Fig. 27 - Sistema Xtify
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 57 -
4.5.4 SKYHOOK
La compañía Skyhook Wireless fue fundada en Boston y ha desarrollado
una tecnología para determinar la posición geográfica usando Wi-Fi como
sistema de referencia. Usando la dirección MAC de los puntos de acceso
inalámbricos más cercanos se puede determinar la posición de un dispositivo
móvil con una precisión de unos 20 o 30 metros. Proporciona un servicio similar
a GPS pero sin la necesidad de disponer de hardware GPS, aunque se puede
combinar con éste. Skyhook Wireless proclama tener un sistema muy efectivo –
en Estados Unidos- frente a GPS ya que tiene una supuesta precisión de unos
20-30 metros, una disponibilidad completa en indoor y en zonas urbanas densas.
Esto es posible ya que con los más de 100 millones de puntos de acceso Wi-Fi
éste sistema cubre el 70% de la población de los Estados Unidos y Canadá.
Fig. 28 - El logo de Skyhook
Este sistema es usado en Weather.com y Fandango, y en diversas
aplicaciones para los dispositivos iPod Touch y iPhone de Apple.
- 58 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4.5.5 GOOGLE MAPS MÓVIL
En el año 2006, Google introdujo una aplicación Java llamada Google
Maps Mobile, que puede funcionar en cualquier dispositivo móvil capaz de
soportar Java. El 28 de noviembre de 2007 salió a la luz la versión 2.0 Google
Maps Navigation, ésta introducía un servicio de posicionamiento parecido a
GPS que no necesitaba un receptor GPS. El software busca primero las redes
inalámbricas y las cell towers más cercanas y de posición conocida, y luego
calcula la posición del dispositivo mediante triangulación usando la potencia
recibida de las señales procedentes de las distintas celdas.
Fig. 29 - Google Maps móvil
A finales del 2008 el sistema ya estaba disponible en: Android,
iPhone/iPod Touch, Windows Mobile, Nokia/Symbian, Blackberry, Palm, y
móviles con plataforma Java como el Sony Ericsson K800i.
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 59 -
Hay que tener en cuenta que Google Maps Navigation es gratis, y esto es
una gran ventaja, mientras que el principal inconveniente es que se necesita
conexión a Internet para que el sistema funcione.
Cuando se lanzó al mercado Google Maps Navigation las ventas de Tom-
Tom, Garmin y otros sistemas de navegación cayeron un 25% en Estados
Unidos, ya que Google proporciona el servicio de manera gratuita.
4.6. Sistemas indoor
Los sistemas indoor son los sistemas de posicionamiento más importantes
con los que trataremos. Esto es debido a que la aplicación de posicionamiento
que se lleva a cabo durante el proyecto está situada en un escenario indoor con
gran cantidad de obstáculos, como es el interior de un edificio. Es, por tanto,
imprescindible conocer las características tanto de un escenario indoor como de
un sistema de posicionamiento que trabaje en dicho escenario para comprender
las limitaciones con las lidiamos durante el desarrollo del proyecto.
Es importante recordar que al usar la tecnología WiMAX para nuestro
sistema de posicionamiento aprovechamos la señal de comunicaciones existente
en el edificio, lo cual supone un importante ahorro en coste y batería al no tener
que usar un sistema complementario para estimar la posición. En cuánto a las
posibles tecnologías que podrían usarse, claramente WiMAX es la mejor opción
ya que dispone de una cobertura de 8 km en interiores, mucho mayor que los
100 metros que podría proporcionar Wi-Fi en situaciones óptimas.
Los sistemas de posicionamiento dentro de edificios – IPS, Indoor
Positioning System [Rup08] - están optimizados para usarlos en habitaciones,
- 60 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
edificios o lugares de construcción. Generalmente ofrecen precisión de pocos
metros, o incluso centímetros. Algunos de ellos proporcionan posicionamiento
6-D y información de orientación.
Un sistema de posicionamiento indoor es capaz de localizar y seguir la
trayectoria de dispositivos dentro de edificios mediante tecnologías
inalámbricas, rastreo óptico infrarrojo o sistemas de ultrasonido.
Un buen ejemplo es el sistema Active Bat. Active Bat es un sistema de
localización indoor de baja potencia que trabaja en la banda de frecuencia de
433MHz, y puede ofrecer precisión de 3 cm. Está basado en el principio de la
triangulación y usa múltiples receptores ultrasónicos integrados en el techo que
miden el tiempo de llegada de las señales infrarrojas de los nodos de referencia
al receptor.
Sistemas de posicionamiento por satélite como GPS o GNSS no son útiles
para establecer una posición en el ámbito indoor ya que las microondas que
transmiten son atenuadas por los techos, paredes y demás objetos que podemos
encontrar en el interior de un edificio. Aún y así, con las últimas mejoras en
éstos dispositivos, como por ejemplo High Sensitivity GNSS, se está
consiguiendo recibir señales por satélite y obtener la posición en espacios indoor
de manera satisfactoria. Los sistemas IPS citados, también se conocen cómo
RTLS78 conforme los estándares ISO/IEC 24730-1:2006 y ISO/IEC 19762-5:2008.
A continuación se van a estudiar las tecnologías que pueden ser usadas en
un RTLS [Jia08].
78 Real Time Locating Systems , Sistemas de posicionamiento en tiempo real
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 61 -
1. Time of Arrival (ToA), también conocido como Time of Flight (ToF) es el
método que calcula el tiempo que ha viajado una señal de radio desde un
transmisor hasta un receptor remoto. Mediante la relación entre la velocidad de
la luz y la frecuencia de la señal portadora, el tiempo es una medida
directamente relacionada con la distancia entre transmisor y receptor [Figura
30] . Éste método usa el tiempo absoluto de llegada a una cierta estación base, y
es el método usado por la tecnología GPS.
2. Time Difference of Arrival (TDOA), es un método muy similar a ToA, la
diferencia es que en TDOA se mide la diferencia temporal entre el momento de
transmisión de una señal desde la estación transmisora y el momento de
llegada a la estación receptora. Dado que las señales viajan a una velocidad
conocida, la distancia entre ambas estaciones puede ser calculada.
3. Angle of Arrival (AoA), es un método para determinar la dirección de
propagación de una onda de radiofrecuencia incidente en un conjunto –array-
de antenas. AoA determina la dirección midiendo la diferencia en el tiempo de
llegada (TDOA, Time Difference of Arrival) en cada uno de los elementos
individuales del array y con esos retardos el AoA puede ser calculado.
Fig. 30 - Triangulación mediante TOA
- 62 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4. Received Channel Power Indication (RCPI) es una medida del estándar
802.11 (WLAN, Wireless Local Area Networks) que indica la potencia recibida de
una señal de radiofrecuencia en un canal seleccionado. Está exclusivamente
asociado a las redes inalámbricas de área local –WLAN- y tiene bastante
precisión en ese ámbito.
El inconveniente principal de la técnica del RCPI es que no puede evaluar
la calidad del enlace de transmisión, siendo esto posible en técnicas como el
ToA.
5. Received Signal Strength Indication (RSSI), es la medida de la potencia
presente en una señal de radiofrecuencia recibida. Se usa en el protocolo
WLAN, y a diferencia de RCPI ofrece cierta información de la señal transmitida.
Fig. 31 - Ejemplo de calidad de recepción en RSSI
Capítulo 4 – Sistemas de posicionamiento - 63 -
6. Symmetrical Double-Sided Two-Way Ranging (SDS-TWR), es un método
que con el objetivo de calcular la distancia entre dos estaciones usa dos tiempos
de retardo que aparecen de forma natural en la transmisión de una señal, estos
son el retardo de propagación de la señal (Signal Propagation Delay) entre dos
dispositivos inalámbricos y el retardo de procesado (Processing Delay) de la
señal ACK (acknowledgement, comprobación). SDS-TWR puede ser adaptado a
varios propósitos, incluyendo por supuesto el posicionamiento.
Las siglas provienen de:
Simetría � Las medidas entre la estación A hacia la B son simétricas a las
de la estación B hacia la A. Doble cara � Para las medidas del espacio recorrido
son necesarias dos estaciones. Doble transmisión � Se usan dos paquetes, el de
los datos y el paquete ACK.
- 64 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 65 -
55.. EESSTTUUDDIIOO DDEELL PPOOSSIICCIIOONNAAMMIIEENNTTOO
5.1. Objetivos y estructura del capítulo
Objetivos
El objetivo de éste capítulo es describir los tres aspectos más importantes
que hay que analizar cuando se quiere realizar el cálculo de una posición. Como
se verá en la estructura, dichos aspectos están enfocados al inminente cálculo de
la posición que se realiza en el sexto capítulo.
Background
Hasta el momento no se han encontrado modelos de canal WiMAX a la
frecuencia de operación europea de 3.5 GHz que parametricen escenarios indoor
de forma general. Por este motivo este proyecto analiza un posible
posicionamiento en esta situación, poniendo a prueba la tecnología en un
entorno con mucha atenuación y de origen diverso, principalmente causada por
las particiones entre plantas (techos) y las paredes.
Estructura
El primero de los aspectos a analizar, tratado en el apartado 5.2, es la
estimación de la distancia. Dado que nuestras antenas receptoras -estudiadas
en el capítulo 3- nos proporcionan el parámetro RSSI, se estudiarán los
métodos existentes para calcular la distancia entre transmisor y receptor cuando
el receptor nos indica dicho parámetro, la potencia de señal recibida RSS.
- 66 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Se verán las ventajas e inconvenientes de usar esta medida, las leyes de
propagación que relacionan la potencia recibida con la distancia y se evaluarán
las limitaciones con las que nos encontramos en este proyecto debidas a este
parámetro. También se revisará el modelo de propagación de Erceg, y se
mencionarán los modelos empíricos que se llevarán a cabo en la campaña de
medidas recogida en el capítulo 6.
El segundo aspecto que se analizará en este quinto capítulo es la
parametrización del escenario en el que se va a realizar el posicionamiento.
Concretamente en el apartado 5.3 se analizará el escenario en el que se sitúa el
proyecto con el objetivo de conocer sus características y se estudiarán los
algoritmos que se llevan a cabo para calcular los parámetros que nos definirán
como es el escenario, parámetros que aplicaremos en las medidas del capítulo 6.
El tercer y último aspecto que estudiaremos en este capítulo,
concretamente en el apartado 5.4 es la estimación de la posición.
Principalmente se describirán los algoritmos necesarios para ese cálculo, en los
cuáles se basan las medidas de posicionamiento del sexto capítulo.
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 67 -
5.2. La estimación de la distancia
5.2.1 LA POTENCIA RSS
Las antenas receptoras de WiMAX con las que trabajaremos en nuestro
escenario son las antenas directivas PRO-CPE-ODU-SA que conectaremos al
equipo portátil con el objetivo de evaluar la RSSI. Accedemos a este indicador
desde el explorador de Internet del equipo, introduciendo la IP con la que
configuramos la estación base BS y accediendo a la aplicación de gestión del
CPE, como se detalló en el aparatado 3.3.4 del tercer capítulo.
En este capitulo se van a estudiar los métodos existentes para calcular la
distancia a partir de la potencia de señal recibida[Bsh08], es decir el parámetro
DL RSSI que nos proporciona la antena de WiMAX del CPE.
Se puede afirmar que la potencia de señal recibida en un receptor
disminuye a medida que la distancia hasta el transmisor se incrementa. Si
conocemos la relación entre la potencia y la distancia, podemos determinar ya
sea de forma analítica o empírica la distancia entre estas dos terminales. Si
involucramos en la medida varias estaciones base, la posición de nuestro
dispositivo móvil receptor -el usuario- puede ser calculada mediante
triangulación. Cómo veremos más adelante en nuestro caso conoceremos la
posición de los tres terminales móviles, y buscaremos la posición de la estación
base.
- 68 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
5.2.1.1 Ventajas e inconvenientes
Existen varias ventajas en el posicionamiento mediante cálculos con la
potencia recibida, en comparación con otros procedimientos comentados en el
Capitulo 4, conocidos como métodos TOF ya que se basan en el tiempo y no en
la potencia.
Recordemos que los métodos TOF son aquellos que miden el tiempo que
tarda una onda electromagnética en viajar cierta distancia a través de un medio,
y es este tiempo el que se usaría para determinar la posición del usuario. En el
caso de los métodos RSS, como ya se ha remarcado, nuestras medidas se basan
en la potencia recibida y nuestro procedimiento puede llevarse a cabo en
cualquier sistema de comunicaciones inalámbrico sin apenas cambiar el
hardware, lo único que se necesita es la posibilidad de leer la RSS, mediante un
indicador RSSI que incluyen la mayoría de receptores, y saber interpretar las
medidas con un método de estimación de la posición adecuado.
En este caso el método de modulación, la tasa de datos y la precisión en
tiempo del sistema no son relevantes para nuestras medidas, y no se requiere
coordinación ni sincronización entre transmisor y receptor. Por tanto, se puede
añadir a un dispositivo inalámbrico la capacidad de ser localizado por un
pequeño incremento de coste.
Por otro lado, también encontramos algunos inconvenientes con el
posicionamiento por RSS. Dadas las fluctuaciones de potencia debido a las
interferencias y al efecto multipath (multicamino) que encontramos en el canal
de transmisión, la precisión que conseguimos con este método es,
generalmente, peor que la que puede obtenerse con los procedimientos TOF. La
propagación es específica en cada escenario o ambiente, y por tanto el
procedimiento debe ser diferente para cada lugar donde vaya a ser usado el
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 69 -
sistema. Con el propósito de conseguir una precisión útil, se suelen usar más
terminales fijas de referencia que las mínimas necesarias para la triangulación.
Además hay que tener en cuenta que la orientación del usuario y su posición
respecto a los objetos de su alrededor afectaran a la estimación de la posición
pues la potencia recibida será distinta aunque el usuario prácticamente no se
haya desplazado.
Hay dos tipos de sistemas que usan la potencia recibida RSS para estimar
su posición: aquellos que están basados en relaciones analíticas de propagación
por ondas electromagnéticas y aquellos que buscan en una base de datos
señales medidas en un entorno específico estudiado con anterioridad. El caso
ideal sería la combinación de ambos, dónde la estimación de la posición seria
calculada mediante datos recibidos, y datos conocidos con anterioridad
correspondientes al entorno específico en el que se encuentra el usuario en
cuestión. En el siguiente apartado se van a estudiar las leyes de propagación
que definen la relación entre la potencia recibida y la distancia.
5.2.1.2 Leyes de propagación
La manera cómo la potencia recibida varia en función de la distancia
depende del entorno en el que se encuentran el transmisor y el receptor. El
ejemplo más simple es cuando la transmisión se realiza en el espacio libre, es
decir en un caso ideal sin ningún tipo de obstáculo. En la práctica nos
encontramos con entornos que contienen objetos que reflejan, absorben o
obstruyen la señal electromagnética, forzando una modificación respecto la
potencia ideal que se recibiría en el caso de espacio libre.
- 70 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
En el espacio libre, podemos describir la propagación mediante la
ecuación de Friis, dónde Gr y Gt, son la ganancia del receptor y del transmisor
respectivamente, mientras que d es la distancia comprendida entre ambos y λ la
longitud de onda (λ =c/f). Siendo Pt la potencia transmitida, y la potencia
recibida en el receptor Pr:
( ) 22
2
·4
···
d
GGPP rttr π
λ= (1)
Generalmente la ecuación (1) se expresa como el inverso del path loss –PL-
es decir el path gain, PG. Path loss es la atenuación de una señal cuando se
propaga entre transmisor y receptor, mostrando el path gain se observa
directamente el efecto de la RSS. Numéricamente el path gain es la relación entre
la señal recibida y la transmitida:
2
·4··
==dGGP
PPG
rtt
r
πλ
(2)
Normalmente trabajamos en escala logarítmica, siendo el PG y el PL en
decibelios los descritos en (3).
=
=
λππλ
dPL
dPG
dB
dB
·4log20
·4log20
(3)
De manera que en el espacio libre, si conocemos las potencias y ganancias
de las antena, podemos determinar la distancia con mucha precisión a partir de
la RSS usando la ecuación (1).
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 71 -
En cambio, en los demás enlaces de comunicaciones los objetos,
incluyendo el suelo, cambian la relación entre la señal recibida y la distancia. La
potencia recibida será la suma de una serie de señales que llegan desde
diferentes ángulos, debido a las reflexiones con objetos cercanos y obstáculos
que bloqueen parcialmente la señal. La potencia recibida resultante puede ser
mayor o menor que la señal que encontraríamos en caso de visión directa LOS.
Si los objetos reflectantes se mueven respecto a los terminales, la potencia
recibida cambiará con el tiempo. Además hay que tener en cuenta que grandes
obstáculos como edificios, paredes o suelos en la línea de visión directa con la
antena atenúan directamente la señal, reduciendo la potencia recibida.
Como vemos en la ecuación (2), el path gain tiene un factor 2 debido al
factor gamma γ en espacio libre, definido en (4). Este factor γ es la constante de
propagación.
2=γ (4)
En nuestro caso, al no tratarse de espacio libre sino de un escenario indoor
real, el valor de γ será mayor que 2 como se estudiará en los modelos de los
apartados 5.2.2 y 5.2.3.
5.2.1.3 Conclusiones y limitaciones
Ha quedado claro que el cálculo de la distancia mediante RSS es poco
efectivo e impreciso en entornos indoor, debido a la gran cantidad de
interferencias que se generan. Aún y así, se intentará obtener un
posicionamiento lo más fiable posible, siempre teniendo en cuenta las
limitaciones con las que nos encontramos.
- 72 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
5.2.2 EL MODELO ERCEG
Es útil conocer un modelo de path loss (o la inversa del path gain del que
hablábamos en el apartado 5.2.1.2) que permita predecir las pérdidas de
propagación a cualquier distancia, y en función del tipo de escenario: espacio
libre, interiores, en zonas rurales o semi-rurales con baja densidad de edificios y
una distribución plana de árboles, etc. El modelo simplificado de path loss que
utilizaremos para nuestro escenario indoor se basa en el modelo de Erceg
[Erc99], definido en (5) y también conocido como modelo IEEE 802.16 SUI.
El modelo se diseñó a partir de datos experimentales llevados a cabo a una
frecuencia de 1.9 GHz en 95 macroceldas de Estados Unidos, en áreas
suburbanas de New Jersey, Seattle, Chicago, Atlanta y Dallas.
El modelo fue adoptado por el grupo IEEE 802.16 como modelo
recomendado para WiMAX 802.16-2004, al principio las pruebas para el modelo
eran a 1.9 GHz pero más adelante se añadieron modificaciones para trabajar a
frecuencias superiores, entre 2 y 4 GHz. En concreto WiMAX trabaja a 3.5 GHz.
Se escoge este modelo porque las características de los demás no se
adaptan a las especificaciones de esta tecnología. El modelo Okumura-Hata o el
COST-231 son válidos para frecuencias entre 150 MHz y 2 GHz, alturas de la
estación base entre 30 y 200 m, y distancias entre BS y receptor de 1 a 20 km. El
modelo Walfish-Ikegama tampoco es útil para la banda de 3.5 GHz ya que
trabaja entre 800 MHz y 2 GHz, con alturas de la BS entre 4 y 50 m, y distancias
a ésta entre 0.2 y 5 km.
sPddAPL lf +++= )/(log10 010γ (5)
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 73 -
A: Intercept factor. Esta variable es constante y viene dada por la fórmula
de path loss en espacio libre (fórmula de Friis) descrita en (6) donde d0 suele ser
1-10 m para interiores y 10-100 m para exteriores.
=→
=λπ
λπ 4
log204
log20 100
10 Ad
A (6)
γ : El exponente de path loss γ depende del ambiente de propagación
[Afr07]. Para el caso de espacio libre γ =2; en interiores de edificios γ > 5; en
áreas urbanas poco densas con celdas radio 2.7<γ <3.5; en áreas urbanas mayor
densas 3<γ <5. En el interior de edificios el cálculo de γ debe ser obtenido por el
método de mínimos cuadrados o Least Squares a partir de los resultados
empíricos obtenidos en diferentes distancias; mientras que en escenarios
outdoor se podría usar la aproximación de IEEE que depende de la altura de la
estación base y del tipo de terreno. En nuestro caso debemos calcular este valor
de γ que se espera que sea mayor que 5.
Plf: Corrección en frecuencia para frecuencias superiores a 2 GHz:
( )2/log6 GHzlf fP = (7)
Por tanto en nuestro caso, deberemos obtener el valor de γ mediante
modelos empíricos basados en una serie de medidas y el método Least Squares,
como se analiza en el apartado 5.2.3.
- 74 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
5.2.3 MODELOS EMPÍRICOS DISEÑADOS
En el escenario indoor especificado, se estimarán modelos empíricos de
predicción de pérdidas de propagación, para poder estimar la distancia que
separa estación base y usuario mediante la potencia recibida calculada, es decir
la RSSI que nos indica nuestra antena receptora.
Se compararán dos modelos diferentes. El primer modelo tiene en cuenta
todas y cada una de las paredes que interfieren la visión entre las antenas que
forman el radioenlace, analizando las pérdidas que generan dichas paredes y
las pérdidas debidas a la propagación de la señal. El segundo modelo calcula
los parámetros que definen el escenario en el que se trabaja, y estima las
distancias con dichos parámetros. El primer modelo es más preciso, pero
necesita saber en todo momento el número de paredes, así que es poco práctico.
Cómo se verá, el segundo modelo es efectivo en casos muy concretos como p.e.
si todas las antenas tienen una sola pared interfiriendo, pero en casos generales
con distintos obstáculos y un número de paredes muy variado es menos
eficiente. El segundo modelo, en el que parametrizamos el escenario de trabajo
es más cómodo ya que no hace falta conocer el número de paredes que separan
la BS del SU.
5.2.3.1 Método directo
En el primer método, el del “Cálculo directo” se estudia previamente el
entorno con el propósito de encontrar la γ que lo describe. Ésta será mayor que
5 -como se ha analizado en 5.2.2 (Modelo Erceg[Erc99])- e incluirá las paredes y
pérdidas multicamino que se correspondan al escenario en el que se trabaja.
Esta γ por tanto es única para el entorno estudiado, y habría que encontrarla en
cada uno de los casos como se verá en el capítulo 6.
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 75 -
Habiendo encontrado γ, despejaremos la distancia mediante (8).
+−++=
−
=−−−
πλ
γ
γπλ
4log20
1
;)log(10·4
log20
rrttdB
rttr
PGGPd
dGGPP
(8)
En nuestro caso no supondremos constantes las ganancias de las antenas,
ya que los datos de las especificaciones pueden no ser exactos. Por tanto lo que
haremos será buscar tanto nuestra γ como nuestra variable n que incluirá los
valores reales de las ganancias, la potencia transmitida y demás valores que se
mantengan constantes durante la transmisión. Como estudiaremos en el
siguiente apartado, Parametrización del Escenario (Apartado 5.3), minimizando
el error mediante Least Squares encontraremos los valores que hacen que se
optimice la función, y será con estos valores con los que trabajaremos en cada
uno de los escenarios.
5.2.3.2 Método indirecto
El otro método con el que trabajamos es el “Cálculo indirecto”. En este
caso habrá que realizar también un estudio previo del escenario. Primero
calcularemos las pérdidas de transmisión con visión directa, que idealmente
deberían aproximarse a γ =2, pero al no tratarse de espacio libre este valor será
ligeramente inferior. También calcularemos las pérdidas que introduce una
pared, valor conocido como PAF79, y se añadiría el valor FAF80 en caso de
trabajar con más de un nivel de altura (distintos pisos).
79 Partition Attenuation Factor 80 Floor Attenuation Factor
- 76 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Tras calcular estos parámetros, consideraremos una por una todas las
paredes que separan la antena transmisora del terminal de usuario y
calcularemos las pérdidas debido a estas paredes (y a los distintos pisos, si
fuera necesario) para finalmente encontrar la distancia que los separa mediante
el modelo Goldsmith[Gol05] descrito en (9).
−−−+++
=
−−
=−−−
∑∑
∑∑
==
==
pf
pf
N
i
i
N
i
irrttdB
N
i
i
N
i
irttr
PAFFAFPGGPd
PAFFAFd
GGPP
11
11
10
1
4log
;·4
log10·
γπλ
πλγ
(9)
Una vez calculada la distancia entre el emisor y el receptor, mediante
cualquiera de los dos métodos, nuestro objetivo es el posicionamiento
(Apartado 5.4) del terminal usuario en el escenario en cuestión (Apartado 5.3).
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 77 -
5.3. La parametrización del escenario
La precisión en el posicionamiento de un terminal móvil en el interior de
un edificio depende de la arquitectura de dicho edificio. Con el objetivo de
estimar una posición con el mínimo de error, hará falta estudiar previamente el
edificio en el que nos encontremos, la arquitectura y estilo de las paredes, altura
entre las plantas, tipo de obstáculos con los que se pueda cruzar nuestra señal…
definiendo finalmente los parámetros que caracterizarán la transmisión.
5.3.1 EL ESCENARIO
Las medidas realizadas para este proyecto han sido obtenidas en el
edificio Q6 de la Escuela Técnica Superior d’Enginyeria de la Universidad
Autónoma de Barcelona. Este edificio consta de tres plantas y tiene unas
dimensiones de 48.51m x 11.935m x 34.75 m, como vemos en la figura 32
[Ang08].
El tipo de material de las paredes es de doble aplacado de cartón yeso y su
grosor es de 30 cm. El posicionamiento se llevará a cabo en el segundo piso del
edificio, definido por el plano de la figura 33.
Fig. 32 - Arquitectura edificio Q6
- 78 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 33 - Plano del segundo piso
5.3.2 EL CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS
En el escenario indoor en el que nos encontramos, sólo se dispone de una
estación base BS. Se colocarán tres usuarios -SU1, SU2, SU3 - de posición
conocida, alrededor de la BS y a distintas distancias de ésta, y lo que se va a
calcular es la posición de la estación base. Estamos por tanto haciendo el
procedimiento contrario a lo habitual, dónde conocemos la posición de tres
estaciones base, y localizamos al usuario. La ventaja de éste estudio es que
realmente también conocemos la posición de la estación base, así que se puede
comprobar la precisión del posicionamiento de manera sencilla.
Para este escenario, la BS utilizada es la BreezeMAX de Alvarion
controlada mediante la aplicación BreezeLITE en un ordenador de sobremesa, y
los usuarios reciben la señal mediante antenas PRO-CPE-ODU-SA cómo se vio
en el capitulo 3. Es decir, los usuarios usan antenas directivas que tienen que
apuntar a la estación base.
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 79 -
En el estudio de la distancia no se van a considerar las ganancias de las
antenas como un valor constante y fijo, ya que no siempre tienen la ganancia
que se da en las especificaciones del fabricante. De manera que, como se ha
comentado en el apartado 5.2. se buscarán los parámetros que definan más
eficientemente el escenario. El parámetro n incluirá las ganancias de las antenas
transmisora y receptora, y también las posibles correcciones respecto a la
atenuación en espacio libre que podrían considerarse, cómo se ha analizado
durante el citado apartado 5.2.
A continuación se describe el procedimiento usado para encontrar dichos
parámetros, que llamaremos n y γ. Para empezar denominamos k (ecuación 10)
a todo el conjunto de constantes que engloban la antena receptora y
transmisora, así como la longitud de onda que calculamos a partir de la
frecuencia de trabajo y de la velocidad de la luz. Podemos observar en (11) el
origen de nuestros parámetros n y γ.
( ) dkdBPWP
dkWP
dGGPWP
RXRX
RXRXTXTXRX
log10log10)()(log10
1·)(
1·
4···)(
10
2
γπλ
γγ
−==
=→
= (10)
αγγ ·)(·)( −=→−= nydBdndBPRX (11)
Por tanto buscaremos ambos parámetros a partir de distancias empíricas,
en las cuales obtendremos una serie de potencias recibidas cada una a distinta
distancia de la estación base, al conjunto de potencias medidas le llamaremos
vector z (12). Con estas medidas, buscamos el mínimo error como muestra el
procedimiento en (13)-(18).
)()log(10
)())(log(10
·
dBRSSRSSz
dBdmd
ny
iii
i
====
−=α
αγ (12)
- 80 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
bAy
n
n
n
ny
ny
y
y
y
y
z
z
z
z
NN
ii
NN
·
·
...
·
·
·...
1
...
1
1
·...
;...
2
1
2
1
2
1
2
1
=→
−
−−
=
−
=
−=
=
=
αγ
αγαγ
γα
αα
αγ
(13)
eeeeSquaresLeastyz
e
e
e
eerrorH
N
i
i
N
·:...
:1
222
1
==→−=
= ∑=
(14)
−=−=
→−=−=bAze
AbzebAzyze
HHHH
·
·· (15)
H
HH
b b
eeee
∂∂= ·
·min (16)
( ) ( ) ( ) 0·······
· =+=−−=−∂
−∂=
∂∂
bAAzAbAzAbAzb
Abze
b
e HHH
H
HHH
H
H
(17)
( ) zAAAbzAbAAHHHH ·····
1−=→= (18)
Con las mediciones empíricas en el escenario, creamos el vector z con las
potencias obtenidas en dB; y la matriz A que consta de una columna de 1 y las
distancias correspondientes con las potencias del vector z, y recordando que el
vector b contiene las soluciones
−=
γn
b , buscaremos mediante MATLAB los
valores de dicho vector.
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 81 -
El procedimiento usado en MATLAB será el siguiente:
A=[]% matriz con las distancias, 10*log(d)
z=[] % vector con las potencias en dB
b=(( inv((A')*A);)* A') * z % vector b
De este modo habremos conseguido parametrizar el escenario y con estos
valores de n y γ podemos describir como será la recta de propagación en
nuestro escenario, cómo vemos en el ejemplo de la figura 34.
Fig. 34 - Recta de propagación
- 82 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
5.4. La estimación de la posición
Pese que para la aplicación concreta del proyecto nosotros usamos tres
usuarios de posición conocida y localizamos la situación de la estación base, en
este apartado se va a estudiar el tipo general de posicionamiento con el que nos
encontramos en la realidad. De forma general, conocemos la posición de tres
estaciones base que transmiten sus señales al medio, y se busca la posición de
un terminal móvil que se encuentra en esa zona.
A continuación se estudiará como calcular la posición del terminal o
estación móvil, en un plano con tres estaciones base cercanas BS1, BS2 y BS3
que se encuentran a las distancias d1, d2 y d3 respectivamente siguiendo el
procedimiento de A.Bensky[Ben07]. Recodemos que las posiciones de las tres
estaciones base son conocidas con antelación, y las distancias han sido
calculadas mediante alguno de los métodos citados con anterioridad, de manera
que la única incógnita es la posición de MS, es decir las coordenadas (x,y). En
nuestro caso las distancias serán calculados a partir de las medidas de potencia
RSSI indicadas por los terminales receptores.
Fig. 35 - Ejemplo posicionamiento 1
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 83 -
El caso representado en la figura 35 es el mínimo requerido para los
cálculos, es decir cuando buscamos la posición con la ayuda de tres estaciones
base. Teniendo en cuenta que las medidas de distancia pueden están sujetas a
imprecisión, debido al ruido, interferencias o multicamino, la precisión en el
posicionamiento puede ser mejorada incorporando un gran número de
estaciones base fijas, en vez del mínimo requerido para una estimación de la
posición.
En este caso, calcularemos el mínimo con tres estaciones base, sabiendo
que se podrían incorporar más estaciones en cualquier momento, con el objetivo
de mejorar la precisión. Si las distancias reales d1, d2 y d3 pudieran ser medidas
de forma exacta, las coordenadas de MS serian el punto en la intersección de los
círculos centrados en las estaciones base y con radio igual a las distancias hacia
MS. Teniendo en cuenta que las distancias medidas no serán exactas, los
círculos puede no cruzarse en un mismo punto, así que es necesario establecer
un criterio para decidir las coordenadas de la posición estimada.
Fig. 36 - Ejemplo posicionamiento 2
- 84 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Las ecuaciones en (19) corresponden a los círculos definidos por las
posiciones de las estaciones base, (BS1,BS2 y BS3) con las distancias medidas d1,
d2 y d3.
( ) ( )( ) ( )( ) ( ) 2
32
32
3
22
22
22
21
21
21
dyyxx
dyyxx
dyyxx
=−+−
=−+−
=−+−
(19)
Calcularemos la posición de la estación base MS mediante el método LS
(Least Squares) para minimizar el error, es decir buscamos las coordenadas xe y
ye que minimicen la función F descrita en (20).
( ) ( )∑=
−−+−=
M
i
ieiei dyyxxF1
222 (20)
en nuestro caso M=3, el número de estaciones base fijas y de posición
conocida.
Las coordenadas xe y ye que minimizan la expresión no lineal F pueden ser
encontradas mediante un algoritmo iterativo basado en una expansión de las
series de Taylor. En una primera versión del proyecto, se usó la aproximación
descrita a continuación, con la que obtenemos una solución muy parecida a la
que nos proporcionaría LS.
Con las ecuaciones en (19) , aislamos hasta encontrar (21).
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )212
323
21
23
213131
21
22
22
21
22
212121
2
1··
2
1··
ddyyxxyyyxxx
ddyyxxyyyxxx
ee
ee
−+−+−=−+−
−+−+−=−+−
(21)
de manera que (21) es un sistema de ecuaciones lineal en x,y.
Capítulo 5 – Estudio del posicionamiento - 85 -
Se puede expresar en forma matricial como:
( ) bAAAy
xPe
ddyyxx
ddyyxxb
yyxx
yyxxA
bPA
TT
e
e
e
···
2
1
·
1
21
23
23
21
23
21
21
22
22
21
22
21
3131
2121
−=
=
−+−+−−+−+−
=
−−−−
=
=
(22)
En la mencionada primera versión se usaba la fórmula de Pe en (22) para
encontrar las posiciones estimadas de la estación base, pero los resultados no
fueron demasiado precisos.
Finalmente se optó por cambiar el procedimiento y usar un algoritmo
iterativo basado en una expansión de las series de Taylor, mostrado en (20),
mediante las funciones de optimización81 del programa MATLAB.
Con este algoritmo iterativo encontraremos la estimación de la posición
que se ve reflejada en los escenarios del capítulo 6, y las circunferencias que
muestran las distancias estimadas por el sistema, cómo se han visto en las
figuras 35 y 36.
81 Optimization Toolbox
- 86 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 87 -
66.. CCAAMMPPAAÑÑAA DDEE MMEEDDIIDDAASS
6.1. Análisis previo
En este apartado se van a estudiar las medidas realizadas para la
definición de los tres métodos de posicionamiento con los que se va a trabajar,
introducidos en el capítulo 5.
6.1.1 MÉTODO 1
El denominado Método 1 corresponde con el cálculo “indirecto” de la
posición de la estación base en escenario indoor teniendo en cuenta las paredes,
comentado en 5.2.3.2 y basado en el modelo Goldsmith[Gol05].
El primer paso para determinar la posición de la estación base siguiendo
este procedimiento será parametrizar el escenario. Recordemos que en este caso
queremos encontrar una γ que describa la propagación en visión directa,
teniendo en cuenta que en realidad no será una γ =2 como en el espacio libre ya
que habrán ciertas reflexiones, pero debe tener un valor cercano a 2. Las
medidas que se usarán para encontrar esta γ deben hacerse con visión directa
entre las antenas, con la antena receptora enfocando a la antena de la estación
base y sin ningún obstáculo entre ellas. Se han realizado una serie de medidas
descritas en la tabla 6 con una potencia de transmisión de 13 dB con la antena
sectorial de ganancia 14.5 dB en la estación base BreezeMAX.
Se realizaron 137 medidas a lo largo del pasillo de 48,5m de la figura 33.
Dado que la potencia recibida no es fija, sino que varía se obtuvieron entre unas
2 y 4 medidas en cada posición ya que el valor RSS variaba constantemente, en
la tabla 6 sólo se adjuntan las medidas con los valores medios recibidos en cada
una de las 42 posiciones a lo largo del pasillo.
- 88 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Distancia
(m)
Distancia
(dB)
Potencia
recibida (dBm)
0,4 -3,98 -11,50
1,2 0,79 -15,00
2 3,01 -19,00
2,8 4,47 -29,50
3,6 5,56 -27,50
4,8 6,81 -30,67
6 7,78 -32,33
7,2 8,57 -31,50
8,4 9,24 -27,50
9,6 9,82 -30,00
11,2 10,49 -34,33
12 10,79 -34,00
13,2 11,21 -40,25
14 11,46 -41,50
15,2 11,82 -41,00
16,8 12,25 -38,00
18 12,55 -41,67
19,2 12,83 -45,80
20 13,01 -44,33
21,2 13,26 -42,25
22 13,42 -45,00
22,8 13,58 -39,80
24 13,80 -45,83
25,2 14,01 -48,33
26 14,15 -43,50
26,8 14,28 -41,50
28 14,47 -45,00
29,2 14,65 -46,50
30 14,77 -42,33
31,2 14,94 -45,00
32 15,05 -42,67
32,8 15,16 -44,25
34,4 15,37 -44,75
36 15,56 -44,67
36,8 15,66 -49,50
38 15,80 -50,33
39,2 15,93 -49,33
40 16,02 -46,00
41,2 16,15 -47,00
42 16,23 -47,33
42,8 16,31 -47,00
Tabla 6 - Medidas de potencia Método 1
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 89 -
Para encontrar los parámetros n y γ usamos las 137 medidas, y el
procedimiento descrito en el apartado 5.3.2, dónde la matriz A está formada por
una columna de 1 y otra con las distancias en dB y el vector z contiene las
potencias recibidas en dB, de manera que encontraremos la solución mostrada
en (23).
−−
=
−=
9028.1
0595.47
γn
b � 9028.147.0595 =−= γn (23)
Cómo se observa, el valor de gamma en visión directa es cercano al del
espacio libre, que sería 2. Otro valor que debemos calcular es la atenuación que
nos produce una pared. Por supuesto, esta atenuación es distinta para cada tipo
de pared con la que se encuentre la señal, en nuestro escenario las paredes son
de 30cm y crean una atenuación de 14 dB que se calcularon mediante el
procedimiento descrito a continuación.
Para el cálculo de la atenuación de las paredes se han realizado las
medidas mostradas en la figura 37. Comparando los resultados de potencia
obtenidos [Tabla 7] y comparándolos con los realizados en el pasillo y
comentados con anterioridad, se ha podido averiguar la atenuación de una
pared en el escenario en el que nos encontramos.
Fig. 37 - Medidas para el cálculo de PAF
- 90 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Con los cálculos de la Tabla 7 se ha realizado una media de los PAF
obtenidos y finalmente se ha considerado una atenuación por pared de 14 dB.
Distancia
(m)
Potencia
recibida (dBm)
Potencia
recibida en
pasillo (dBm)
Diferencia
de potencia
(dB)
Número de
paredes PAF (dB)
P1 2 -34 -19 15 1 15
P2 9,6 -58 -30 28 2 14
P3 13,2 -80 -40,25 39,75 3 13,25
Tabla 7 - Potencias recibidas para el cálculo de PAF
Se han representado las figuras 38 y 39 para comprobar el resultado,
donde se comprueban los efectos del multicamino en el pasillo, ya que pese a
no haber obstáculos hay diferencias mayores de 5 dB en algunos de los casos.
Recordemos que una vez conocidos los parámetros y habiendo calculado
el valor PAF, estimaremos la distancia existente entre el usuario y la estación
base mediante (24), considerando PR la potencia en dB recibida por la antena
receptora, NP el número de paredes, PAF la atenuación de una pared en dB, y n
y gamma los valores obtenidos en la parametrización.
γ*10
)()(*)(
10)(dBndBPAFNPdBPR
mdist
−+
= (24)
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 91 -
Pasillo, Distancia Lineal
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 10 20 30 40 50
Distancia (m)
Po
ten
cia
(dB
m)
Ideal Lineal
Experimental Lineal
Fig. 38 - Representación Pasillo, escala lineal
LOS pasillo 50m
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-10 -5 0 5 10 15 20
10*log(d)
Po
ten
cia
(dB
)
Ideal
Experimental
Fig. 39 - Representación Pasillo, escala logarítmica
- 92 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
6.1.2 MÉTODO 2
El denominado Método 2 corresponde con el cálculo “directo” de la
posición de la estación base en escenario indoor analizado en 5.2.3.1. Tal y como
se espera [Afr07] en este método deberíamos encontrar un valor de γ mayor
que 5. Hay que tener en cuenta que en una situación con gran cantidad de
obstáculos, paredes y distintos niveles (pisos) en el edificio, el valor de γ
aumentaría, mientras que en un escenario indoor con pocos obstáculos el valor
de γ será menor.
En esta ocasión, para parametrizar el escenario se ha usado una gran
cantidad de medidas. Por un lado se han realizado diversas medidas en varios
puntos del escenario que tuviesen diferente tipo de atenuación, cerca y lejos de
paredes, con la antena receptora más y menos elevada, y por supuesto medidas
con 0, 1, 2 y 3 paredes interfiriendo en la visión directa de la antena transmisora
y la receptora. En la Tabla 8 se adjuntan 40 medidas representativas, a partir de
las cuales se han encontrado los valores de n y .
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 93 -
Distancia
(m)
Distancia
(dB)
Potencia
recibida (dBm)
2,13 3,28 -43,39
3,22 5,09 -47,01
4,68 6,70 -50,25
4,84 6,85 -47,00
5,80 7,63 -47,00
6,60 8,19 -53,22
7,00 8,45 -55,00
7,00 8,45 -51,00
7,20 8,57 -51,00
7,54 8,77 -61,00
8,63 9,36 -70,00
9,34 9,70 -71,24
10,00 10,00 -65,00
10,18 10,08 -48,00
11,31 10,54 -72,91
12,21 10,87 -67,00
13,30 11,24 -74,31
13,60 11,34 -54,00
13,60 11,34 -70,00
14,17 11,51 -65,00
14,40 11,58 -56,00
15,09 11,79 -54,00
15,28 11,84 -75,52
15,28 11,84 -75,52
15,38 11,87 -55,00
18,47 12,66 -77,17
19,67 12,94 -92,71
20,86 13,19 -93,22
22,06 13,44 -93,71
23,26 13,67 -94,17
24,45 13,88 -94,60
25,65 14,09 -95,02
26,85 14,29 -95,42
27,00 14,31 -95,00
28,05 14,48 -95,80
28,84 14,60 -96,04
28,89 14,61 -64,00
29,64 14,72 -96,28
31,24 14,95 -96,73
39,58 15,97 -85,00
Tabla 8 - Medidas de potencia Método 2
- 94 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Mediante el procedimiento descrito en el apartado 5.3.2, dónde la matriz
A está formada por una columna de 1 y otra con las distancias en dB y el vector
z contiene las potencias recibidas en dB, encontramos la solución mostrada en
(25).
−−
=
−=
221.5
538.42
γn
b � 221.542.538 =−= γn (25)
Cómo se observa, el valor de gamma en este escenario indoor es mayor que
5, tal y como se esperaba.
Finalmente calcularemos la distancia estimada mediante (26), como se vio
en el capítulo anterior.
γ*10
))((
10)(
ndBPR
mdist
−
= (26)
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 95 -
6.1.3 MÉTODO 3
El denominado Método 3 corresponde con el cálculo “directo” de la
posición de la estación base en escenario indoor analizado en 5.2.3.1.
En este ejemplo usaremos el “cálculo directo” con cierto estudio previo
complementario. No sólo estudiaremos el escenario para encontrar los valores n
y γ sino que además se tratará de un caso específico. En un escenario indoor
puede darse el caso en que los obstáculos entre las tres estaciones base sean
muy parecidos, cosa más difícil de conseguir en outdoor. Vamos a estudiar por
ejemplo un caso en que las tres estaciones base encuentran una sola pared en su
camino, pese a estar en distintas habitaciones y a diferente distancia del
usuario. Conseguiremos más precisión que en el caso general (en el que no
contábamos las paredes en ningún momento) pero hay que tener muy en
cuenta que para conseguir este método se ha realizado un estudio más
exhaustivo del escenario.
Tenemos por ejemplo la situación mostrada en la figura 40, recordemos
que en nuestro caso trabajamos con tres usuarios de posición conocida y una
sola estación base transmitiendo. Cómo se puede observar en la figura, los tres
usuarios sólo están separados por una pared y todas las paredes internas del
edificio son iguales.
Antes de empezar a estimar la posición, debemos encontrar primero los
parámetros del escenario. En esta ocasión se llevarán a cabo medidas de
potencia a distintas distancias, siempre separadas por una pared, porque sino
no estaríamos cumpliendo la característica que nos define el escenario: una
pared de separación.
- 96 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Fig. 40 - Ejemplo de escenario para el Método 3
En la tabla 9 se pueden observar las 19 medidas realizadas, vemos sus
respectivas distancias de separación reales, dichas distancias en dB, y la
potencia recibida RSS.
Distancia
(m)
Distancia
(dB)
Potencia
recibida
(dBm)
4,84 6,85 -47
5,80 7,63 -47
7,00 8,45 -55
7,00 8,45 -51
7,20 8,57 -51
7,54 8,77 -61
8,63 9,36 -70
10,00 10,00 -65
10,18 10,08 -48
12,21 10,87 -67
13,60 11,34 -54
13,60 11,34 -70
14,17 11,51 -65
14,40 11,58 -56
15,09 11,79 -54
15,38 11,87 -55
27,00 14,31 -95
28,89 14,61 -64
39,58 15,97 -85
Tabla 9 - Medidas de potencia Método 3
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 97 -
Una vez tenemos las 19 medidas de potencia a cada una de las respectivas
distancias de medida, creamos los ya conocidos matriz A y vector b, y
calculamos los parámetros mediante MATLAB.
Obtendremos la solución en (27).
−−
=
−=
3.7181
51.2574
γn
b � 3.718151.2574 =−= γn (27)
Cómo se puede observar, en éste caso el valor de gamma es mayor que 2,
valor correspondiente al espacio libre, y menor que 5, valor mínimo
aproximado cuando trabajamos en indoor ya que pueden haber diversas
paredes y techos. Esto es debido a que, en este caso, tenemos más datos de lo
habitual ya que conocemos el número exacto de paredes. Tenemos, por tanto,
un espacio parametrizado con más precisión.
Para estimar la distancia, igual que en el método 2, usaremos (28).
γ*10
))((
10)(
ndBPR
mdist
−
= (28)
Con los valores obtenidos, calculamos la potencia ideal que se debería
recibir en cada una de las posiciones, de manera que podremos representar la
recta de atenuación tanto en lineal como en logarítmico, gráficos que pueden
observarse en las figuras 41 y 42.
- 98 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Recta Potencia-Distancia
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
6 8 10 12 14 16
Distancia ( 10log(d) )
Po
ten
cia
reci
bid
a (d
B)
Fig. 41 - Método 3, Recta logarítmica
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
0 10 20 30 40 50
Ideal
Real
Fig. 42 - Método 3, recta lineal
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 99 -
6.2. Estudio de los escenarios
A continuación se van a estudiar una serie de escenarios con posibles
posicionamientos. Recordemos que nuestra aplicación calcula la posición de
una estación base, conociendo la posición de tres dispositivos móviles que se
sitúan alrededor de ésta.
El método para estimar la posición BS de la estación base está definido
mediante el criterio de Least Squares para minimizar el error. Usando dicho
método, la estimación de la posición tiene las coordenadas xe y ye que
minimizan la función F descrita en la ecuación 29, siendo M el número de
usuarios desde los que calculamos la potencia recibida, en nuestro caso serán 3.
( )∑=
−−+−=M
i
ieiei DyyxxF1
222 )()( (29)
Las coordenadas que minimizan la expresión no lineal de la ecuación 1
serán encontradas mediante un algoritmo iterativo basado en las series de
Taylor, que se calcula mediante Matlab.
Hay que tener en cuenta que, tal y como se verá en las figuras, la estación
base la colocamos siempre en la posición 0,0. De manera que las coordenadas
que nos determine la estimación corresponderán a la vez con el error al
posicionar la estación base. Se mostrará el error debido a las medidas calculado
mediante la ecuación 30, con el propósito de poder comparar los tres distintos
métodos utilizados para la medida de la distancia.
22ee yxE += (30)
- 100 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
En el momento de analizar los resultados de la estimación de la distancia
en cada uno de los métodos, hay que tener presente que la gamma del método 1
es 1,9 mientras que la del método 2 tiene un valor de 5,22 y la del 3 se
corresponde con 3,71. El valor de gamma nos define la atenuación que sufre la
señal, de manera que una atenuación de 3 dB representa más distancia de
separación cuánto menor es gamma. A continuación se muestra un ejemplo
para entender mejor los resultados.
Supongamos una diferencia en la potencia recibida de 3 dB. Para el
método 1 estos tres decibelios suponen una diferencia de 2,0945 metros, es decir
una distancia considerable. Para los métodos 2 y 3 (que se definen con una
gamma mayor) la diferencia de distancia es de 30 y 35 centímetros
respectivamente. Por tanto, oscilaciones de 2 o 3 decibelios en la señal recibida
implican mayor error en el método 1 que en los otros dos métodos.
Al haberse estudiado 18 escenarios, se van a comentar en profundidad 5
de ellos, considerados como “modelo” para 5 situaciones habituales a las que
nos podemos enfrentar. El resto de escenarios se recogen en el apartado 6.2.6.
Para cada uno de los escenarios estudiados individualmente se van a
adjuntar los siguientes datos:
- Esquema de la situación de los tres terminales de usuario y de la estación
base en el pasillo del edificio Q6.
- Tabla con las posiciones y distancias reales entre los tres terminales de
usuario y la estación base.
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 101 -
- Tabla con la RSSI obtenida en cada uno de los terminales de usuario, y la
distancia que se ha estimado mediante cada uno de los tres métodos,
usando los procedimientos descritos en 6.1, 6.2 y 6.3 respectivamente.
- Tabla con la posición estimada con los datos de los tres métodos, y el
error derivado de cada estimación.
- Figuras que muestran el procedimiento de triangulación implícito en la
estimación, donde cada una de las circunferencias está centrada en la
posición de cada uno de los tres terminales de usuario, y tienen de radio
la distancia estimada que separa a éstos de la estación base. Idealmente
los tres círculos deberían cruzarse en el punto 0,0 dando lugar a la
posición de la estación base. Veremos que dado el error en la estimación
no se cruzan de este modo, creando la llamada zona de
incertidumbre[Bla09] dónde se puede situar la estación base.
- Conclusiones sobre los resultados mostrados.
- 102 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
6.2.1 MODELO 1 PARED
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -40 2,9497 3,3570 3,1922
B -43 4,2406 3,8319 3,8439
C -47 6,8806 4,5711 4,9245
Xe (m) = 0,5513 1,3315 1,2008 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 1,4282 0,6056 0,7472
Error E= 1,5308 1,4627 1,4143
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A -4,4 3,2 5,441
B 6,4 0 6,400
C 6,4 -3,2 7,155
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 103 -
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-6
-4
-2
0
2
4
6
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
En este escenario, comparando las distancias reales con las que nos dan los
tres métodos de estimación podemos afirmar que el método que más aproxima
la distancia estimada con su valor exacto es el método 1, sobretodo en las
distancias de los terminales B y C. En los tres métodos la distancia estimada
para el terminal A es errónea, demasiado pequeña, por eso vemos la
circunferencia correspondiente al terminal A pequeña y separada de las demás.
El error en la estimación de la distancia A es debido a que en esa posición
se ha recibido una potencia bastante alta, debida a las reflexiones constructivas
que se han producido en el pasillo (efecto guía de onda) y los métodos deducen
que el terminal A está más cerca de la estación base, es decir que la distancia
que los separa es menor que la real. Por esta razón el círculo correspondiente a
la posición A tiene un radio menor.
El círculo alrededor de la posición C es muy pequeño en las estimaciones
de los métodos 2 y 3, en cambio en la estimación del método 1 se acerca más a la
distancia real. Este error en el círculo C es debido al razonamiento que se ha
dado con anterioridad: las posiciones B y C pertenecen a la misma habitación y
se encuentran a poca distancia.
- 104 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Aún y así la diferencia de potencia entre ellos es de 4 dB, lo que supone 2,7
metros de diferencia en el método 1, 70 y 100 centímetros en los métodos 2 y 3
respectivamente.
Lo que sucede es que los escenarios estimados correspondientes a los dos
últimos métodos contienen círculos con distancias erróneas pero que describen
mejor el escenario a escala. Encontramos proporciones correctas entre las
distancias a los 3 terminales, pero todos a escala más pequeña. De este modo,
cuando se estima la posición de la estación base la zona de incertidumbre no
está situada en la intersección de los tres círculos, ya que no existe tal
intersección, pero es una zona de incertidumbre parecida a la real, aunque
también en escala menor. Por tanto, cuando el algoritmo estima la posición en
los métodos 2 y 3 elige un punto que se acerca más al real (0,0) porque la
disposición de la zona de incertidumbre es la misma que la real aunque a
distinta proporción, consiguiendo mejores estimaciones de posición que el
método 1.
Observamos que en el modelo con 1 pared en la línea de visión entre las
estaciones, el método 3 –recordemos que es un método específico para ésta
situación- consigue una precisión mayor en cuánto al posicionamiento.
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 105 -
6.2.2 MODELO 0 Y 1 PARED
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -66 12,5999 10,5661 15,9725
B -38 12,5999 3,0736 2,8203
C -32 6,0964 2,3590 1,9450
Xe (m) = -1,3018 1,6658 0,9737 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 0,3211 -0,0678 1,8685
Error E= 1,3408 1,6672 2,1070
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 5,6 -10 11,461
B 14 0 14,000
C -10 0 10,000
- 106 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Este escenario es uno de los más precisos en cuánto a resultados. Como se
puede observar en el esquema los usuarios están óptimamente situados
alrededor de la estación base, lo que aumenta en gran escala la precisión del
método 1.
Los métodos 2 y 3 no funcionan en la estimación de la distancia, como era
de esperar, ya que dos de las posiciones están en LOS y éstos métodos son
óptimos en situaciones con una variedad de obstáculos mayor y con una pared
en medio respectivamente. Por esa razón las estimaciones de la distancia de las
posiciones B y C son erróneas en ambos métodos.
En cuánto al método 1 las circunferencias de posición en este caso están
bien situadas, se consigue una buena estimación de la distancias A y B, y el
único error que encontramos es el de la posición C debido a que recibe
demasiada potencia (el pasillo genera interferencias constructivas dado el efecto
guía de onda). Aun y así conseguimos un posicionamiento muy bueno con un
error pequeño.
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
-10 -5 0 5 10 15
-20
-15
-10
-5
0
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-20
-15
-10
-5
0
5
10
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 107 -
6.2.3 MODELO 1 Y 2 PAREDES
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64,5 10,5086 9,8898 14,5556
B -61 6,8806 8,4753 11,7191
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 3,1482 1,4346 -1,9048 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 0,6052 0,1617 -1,5288
Error E= 3,2058 1,4436 2,4425
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 12,4 -3,8 12,969
B 6,8 6,4 9,338
C -4,4 3,2 5,441
- 108 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
-10 -5 0 5 10 15 20
-10
-5
0
5
10
-10 -5 0 5 10 15 20
-10
-5
0
5
10
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
-15
-10
-5
0
5
10
15
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
En este escenario encontramos 1 y 2 paredes en la línea de visión.
Podemos prever que el método 3 no será efectivo pues no se cumplen sus
especificaciones ya que estamos transmitiendo con 2 paredes obstaculizando la
visión en el caso del receptor A y B, y sólo tenemos una pared en la transmisión
hacia el receptor C.
En cuánto al método 1, estima relativamente bien la distancia A pero
comete errores en la estimación de B y C. La estimación de la distancia C es
errónea porque considera que el terminal está demasiado alejado.
Cómo sucedía en 6.2.1 , el método 2 estima mejor el escenario a una escala
menor, de manera que finalmente la estimación de la posición resulta acertada
ya que la zona de incertidumbre es muy parecida a la que encontraríamos en un
escenario a escala real.
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 109 -
6.2.4 MODELO 1, 2 Y 3 PAREDES
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64,5 10,5086 9,8898 14,5556
B -80 12,5999 19,5906 38,0110
C -36 1,8180 2,8141 2,4918
Xe (m) = 1,3302 -0,6119 -7,9000 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 0,5697 -2,6584 -6,3837
Error E= 1,4471 2,7279 10,1568
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 12,4 -3,8 12,969
B 11,2 6,8 13,103
C 0 3,2 3,200
- 110 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30
-10
-5
0
5
10
15
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
En este escenario nos encontramos con que cada terminal está en una
situación distinta en cuánto al número de obstáculos. C tiene una pared en su
línea de visión, mientras que A tiene dos, y B tiene tres.
En la estimación de la distancia C los tres métodos dan distancias menores
ya que debido al efecto guía de onda, el terminal C recibe mucha potencia.
El método 3 está totalmente fuera de especificaciones, por lo que no es útil;
por otro lado el método 2, genera errores en la estimación de las distancias
sobretodo en el caso del receptor B que se encuentra lejos y con muchos
obstáculos.
Finalmente es el método 1 el que nos da una mayor precisión tanto en las
distancias en general (ya que conoce el número de paredes en cada situación),
como en la estimación, con un error de tan sólo 1 metro, y una buena
distribución de las circunferencias, observándose las zonas de cruce
relativamente cercanas al punto 0,0.
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 111 -
6.2.5 MÁS EJEMPLOS
A continuación se recogen otros ejemplos de los modelos anteriormente
analizados, para comprobar las conclusiones extraídas sobre la efectividad de
los tres métodos de posicionamiento. Como que los ejemplos siguen el modelo
de los anteriores apartados, pueden consultarse los casos anteriores para
comprender los resultados obtenidos en cada uno de los ejemplos a
continuación.
Ejemplos de modelos con 1 pared: Mejores resultados con métodos
“directos” sin contar las paredes, es decir los métodos 2 y 3.
1º:
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
-10
-5
0
5
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 0 3,2 3,200
B 6,4 0 6,400
C 6,4 -3,2 7,155
- 112 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -36 1,8180 2,8141 2,4918
B -45 5,4017 4,1852 4,3508
C -49 8,7644 4,9926 5,5738
Xe (m) = 1,8815 2,3366 1,6927 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 3,7912 0,7103 0,8068
Error E= 4,2324 2,4422 1,8751
2º:
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 0 3,2 3,200
B 6,4 0 6,400
C 6,4 -3,2 7,155
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 113 -
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -36 1,8180 2,8141 2,4918
B -43 4,2406 3,8319 3,8439
C -49 8,7644 4,9926 5,5738
Xe (m) = 2,2194 2,5734 2,5062 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 3,4278 0,8606 1,3190
Error E= 4,0836 2,7135 2,8321
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16
-10
-5
0
5
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
- 114 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
3º:
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -36 1,8180 2,8141 2,4918
B -43 4,2406 3,8319 3,8439
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 2,8916 1,5041 1,7472 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 2,7169 1,1163 1,4022
Error E= 3,9677 1,8731 2,2403
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 0 3,2 3,200
B 6,4 0 6,400
C -4,4 3,2 5,441
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 115 -
-10 -5 0 5 10
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-4
-2
0
2
4
6
8
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-5
0
5
10
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
4º:
-10 -5 0 5 10 15
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 0 3,2 3,200
B 6,4 -3,2 7,155
C -4,4 3,2 5,441
- 116 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -36 1,8180 2,8141 2,4918
B -49 8,7644 4,9926 5,5738
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 2,6327 1,0452 1,1522 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 4,3923 0,3535 0,6640
Error E= 5,1209 1,1033 1,3298
5º:
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 1,6 -3,6 3,940
B 8 6,8 10,500
C -5,6 6,8 8,809
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 117 -
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -45 5,4017 4,1852 4,3508
B -60,5 6,4767 8,2904 11,3618
C -47,5 7,3097 4,6730 5,0793
Xe (m) = 1,6605 -0,3526 -1,8635 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 2,8116 2,3517 1,2530
Error E= 3,2653 2,3780 2,2456
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
-10 -5 0 5 10 15 20
-5
0
5
10
15
-10 -5 0 5 10 15
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
-10 -5 0 5 10 15
-5
0
5
10
- 118 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Ejemplos de modelos con 1 y 2 paredes: Mejores resultados con el método
“directo” general sin contar las paredes, método 2.
1º:
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -50 9,8917 5,2177 5,9299
B -61 6,8806 8,4753 11,7191
C -45 5,4017 4,1852 4,3508
Xe (m) = 0,3743 -0,0023 -1,5674 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 1,7570 -1,1619 -2,1529
Error E= 1,7965 1,1619 2,6630
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 5,6 -7,2 9,121
B 8 3,2 8,616
C -6 3,2 6,800
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 119 -
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
2º:
-10 -5 0 5 10
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-5 0 5 10 15
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-5 0 5 10 15
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 9,2 -2 9,415
B 6,4 0 6,400
C -4,4 3,2 5,441
-10 -5 0 5 10 15 20
-10
-5
0
5
10
-10 -5 0 5 10 15
-10
-5
0
5
10
-15 -10 -5 0 5 10 15
-15
-10
-5
0
5
10
- 120 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -54 2,9497 6,2243 7,5967
B -43 4,2406 3,8319 3,8439
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 3,9839 2,1003 1,8910 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = -1,8496 0,9106 1,1994
Error E= 4,3923 2,2891 2,2392
3º:
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 12,4 -3,8 12,969
B 6,8 0 6,800
C -4,4 3,2 5,441
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 121 -
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64,5 10,5086 9,8898 14,5556
B -43 4,2406 3,8319 3,8439
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 2,5623 2,2191 1,3795 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = -0,8873 0,8790 2,6142
Error E= 2,7116 2,3868 2,9559
-10 -5 0 5 10 15 20-15
-10
-5
0
5
10
-5 0 5 10 15 20
-15
-10
-5
0
5
-5 0 5 10 15 20 25
-15
-10
-5
0
5
10
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
- 122 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
4º:
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64,5 10,5086 9,8898 14,5556
B -73,8 5,9507 14,9040 25,8915
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 4,5770 0,2880 -5,9847 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 5,0815 -1,1033 -4,4805
Error E= 6,8389 1,1404 7,4760
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 12,4 -2 12,560
B 11,2 6,8 13,103
C -4,4 3,2 5,441
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 123 -
-10 -5 0 5 10
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-4
-2
0
2
4
6
8
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
-5
0
5
10
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Ejemplos de modelos con 1, 2 y 3 paredes: Mejores resultados con el
método contando las paredes, método 1.
1º:
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 12,4 -3,8 12,969
B 11,2 6,8 13,103
C -4,4 3,2 5,441
- 124 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64,5 10,5086 9,8898 14,5556
B -80 12,5999 19,5906 38,0110
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 2,0753 -1,2281 -9,5628 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = -1,8969 -3,4955 -7,6118
Error E= 2,8116 3,7050 12,2224
-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25
-10
-5
0
5
10
15
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
-10
-5
0
5
10
15
20
25
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 125 -
Ejemplos de modelos con 0 y 1 pared, y con 0 y 2 paredes: Mejores
resultados con el método contando las paredes, método 1.
1º: modelo 0 y 1 pared
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -36 1,8180 2,8141 2,4918
B -28 3,7574 1,9775 1,5183
C -48,5 8,2499 4,8837 5,4038
Xe (m) = 1,2451 -0,6759 -0,4474 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = -0,8238 -1,4053 -1,5756
Error E= 1,4930 1,5594 1,6379
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 0 3,2 3,200
B 0 -6 6,000
C -4,4 3,2 5,441
- 126 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
-15 -10 -5 0 5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
2º: modelo 0 y 2 paredes
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 6,4 -10 11,873
B 12,8 0 12,800
C -8,6 0 8,600
-10 -5 0 5 10 15 20
-20
-15
-10
-5
0
-10 -5 0 5 10 15
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
-15 -10 -5 0 5 10 15 20-20
-15
-10
-5
0
5
10
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 127 -
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -64 9,8917 9,6741 14,1118
B -37 11,1640 2,9410 2,6510
C -35 8,7644 2,6927 2,3421
Xe (m) = -1,1561 2,1320 1,5570 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = 0,0578 -0,4750 1,1606
Error E= 1,1575 2,1843 1,9420
- 128 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Ejemplo de un modelos con 0 paredes:
Distancia estimada (m) Potencia
recibida
RSSI (dBm)
Método 1 Método 2 Método 3
A -32 6,0964 2,3590 1,9450
B -33 6,8806 2,4654 2,0693
C -31 5,4017 2,2573 1,8282
Xe (m) = 1,7217 -0,1103 -0,0995 Posición
estimada
de la BS Ye (m) = -0,1942 1,2641 1,3115
Error E= 1,7325 1,2688 1,3152
Posición
eje X (m)
Posición
eje Y (m)
Distancia a
la BS (m)
A 3,2 4,4 5,441
B -3,6 4,4 5,685
C 0 -4 4,000
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 129 -
Posicionamiento Método 1 Posicionamiento Método 2 Posicionamiento Método 3
En este escenario nos encontramos ante un caso de distribución óptima de
los terminales de usuario ya que se encuentran cada uno a casi 120º respecto a
la estación base como se observa en el esquema del posicionamiento.
Tanto usuarios como estación base se encuentran en la misma habitación,
de modo que hay una situación de visión directa LOS en todas las
transmisiones. Observando las figuras de las posiciones vemos que la más
precisa es la del método 1, dónde vemos claramente la zona de incertidumbre
que aparece alrededor de la posición 0,0. El método 1 es el método más preciso
en cuánto a la estimación de las distancias ya que las tres circunferencias se
cruzan, aunque luego al estimar la posición los tres métodos tengan un error de
aproximadamente 1 metro.
Como se ha visto, los métodos 2 y 3 crean un escenario más exacto a escala
menor, y por eso aciertan mejor la posición de la estación base aunque las
distancias haya sido erróneamente estimadas.
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6
-4
-2
0
2
4
6
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-6
-4
-2
0
2
4
6
-10 -5 0 5 10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
- 130 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
6.3. Análisis de los resultados
Tras el estudio de los escenarios expuestos a lo largo del capítulo se llega a
la conclusión de que no hay un método que se imponga como el más preciso,
sino que dependiendo del modelo de escenario usaremos uno de los métodos
desarrollados u otro.
Usaremos el método 1 cuando tengamos una gran variedad de paredes,
por ejemplo un modelo dónde un terminal esté separado por 1 pared, otro por 2
paredes y el último tenga 3 paredes obstaculizando la visión directa con la
estación base. También será útil éste método cuando alguno de los terminales
de nuestro escenario esté en la misma habitación que la estación base, es decir,
cuando alguno de los terminales esté en situación LOS.
Usaremos el método 2 en los casos en que no haya visión directa, y los
obstáculos que encontremos sean principalmente combinaciones de 1 y 2
paredes obstaculizando la línea de visión directa entre los terminales y la
estación base.
Usaremos el método 3 (en caso que hayamos diseñado un método para
este escenario específico) o el método 2 cuando todos los terminales se separen
de la estación base por una sola pared.
Capítulo 6 – Campaña de medidas - 131 -
La tabla 10 muestra el error cuadrático medio de cada uno de los métodos
de posicionamiento usados, obtenido con el cálculo de la media de los errores
para cada escenario con cada uno de los métodos.
Método 1 Método 2 Método 3
Error medio (m) 3,162 1,914 3,355
Tabla 10 - Error medio posicionamiento
Cómo se ha visto a lo largo del capítulo, de forma general obtenemos
mejores estimaciones de distancia con el método 1. Recordemos que el método 3
no se puede usar de forma general ya que está diseñado para un modelo de
escenario específico con una sola pared obstaculizando la visión directa. En
cuanto a la estimación final de la posición, el método 2 recrea un escenario a
escala menor que el real, reduciendo la zona de incertidumbre y convirtiéndose
en el método que nos ofrece una mejor estimación de la posición con error
medio en la precisión de 2 m.
- 132 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
Capítulo 7 – Conclusiones - 133 -
77.. CCOONNCCLLUUSSIIOONNEESS
En este proyecto se ha diseñado un sistema de posicionamiento indoor
basado en WiMAX que no existe en el mercado. Con este sistema obtenemos
ventajas como por ejemplo el ahorro en coste y en batería, al usar el sistema de
posicionamiento con la misma señal de comunicaciones que ya haya instalada
en el edificio. De este modo, no necesitamos añadir un sistema específico de
posicionamiento que supondría un incremento del coste.
Este sistema innovador calcula la distancia entre terminales a partir de la
potencia recibida por el terminal, y con dicha potencia estima la distancia. Se
han diseñado varios métodos posibles para estimar la distancia entre terminales
y finalmente la posición. Con el primero de los métodos contamos las paredes
que interfieren en la transmisión y usamos una constante de propagación
menor que la del espacio libre, concretamente γ = 1.9, ya que en indoor los
pasillos actúan como guía de onda. Los otros dos métodos se han
parametrizado con constantes de propagación 3.7 y 5.2 respectivamente, ya que
suponen escenarios con obstáculos en su interior, de manera que con estos dos
métodos ya esperamos un cierto número de paredes obstaculizando nuestra
línea de visión directa con la estación base.
Durante el estudio de la posición han aparecido ciertos problemas. El
cálculo de la atenuación provocada por una pared se hace de manera que la
pared corte en ángulo recto la línea de visión directa entre terminal y antena,
pero con el transcurso del proyecto nos damos cuenta de que depende del
ángulo con el que incide la señal la atenuación varia.
- 134 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
En un escenario indoor encontramos obstáculos que atenúan la señal, pero
también nos encontramos con interferencias constructivas como por ejemplo en
los pasillos, dónde se crea un efecto guía de onda que aumenta la potencia
recibida.
Con todo esto, no observamos un método concreto con el que obtengamos
gran precisión, sino que observamos que habrá un método adecuado
dependiendo del modelo de escenario al que nos enfrentemos.
Podemos concluir que generalmente las distancias calculadas entre
terminales y estación base son más exactas con el método 1 (contando las
paredes). A la hora de encontrar la posición hay métodos como el 2 o el 3 que
estiman el escenario con escala menor pero proporcional a la situación real y
que acaban siendo los que nos proporcionan un mejor resultado en la
estimación de la posición.
Capítulo 8 – Referencias - 135 -
RREEFFEERREENNCCIIAASS
[Afr07] W.Afric, B.Zovko, S.Grgic. “Methodology of Path Loss Calculation using Measurement Results”. Croatia, June 2007.
[Alv1] “Alvarion: A wireless broadband pioneer, a founder of the WiMAX industry” http://www.alvarion.com
[Ang08] Albert Anglés, "Despliegue y análisis de la cobertura de una red WiMAX basada en IEEE 802.16-2004", Bellaterra, June 2008.
[Bae08] Chul-Min Bae, “Method of providing Location Services in WiMAX network irrespective of state of mobile station”, Seoul, July 2008.
[Ben07] Alan Bensky, “Wireless Positioning Technologies and Applications”, 2007.
[Bla09] Nuria Blanco-Delgado, “Satellite Selection and Multipath Mitigation Techniques in GNSS Receivers”, Lisbon, 2009.
[Bree1] Alvarion, “BreezeMAX FDD Base Station Installation and Maintenance Manual”, February 2006
[Bree2] Alvarion, “BreezeMAX Si CPE Installation and Maintenance Manual”, 2006.
[Bree3] Alvarion, “BreezeMAX 3000 PRO CPE Installation Manual”, April 2006.
[Bree4] Alvarion, “BreezeLITE User Manual”, 2006.
[Bsh08] Mussa Bshara, Nico Deblauwe, Leo Van Biesen, “Location in WiMAX Networks Based on Signal Strength Observations”, Brussels, 2008.
[Erc99] V.Erceg, L.Greenstein, S.Tjandra, S.Parkoff, A.Gupta, B.Kulic, A.Julius, R.Bianchi. “An empirically based path loss model for wireless channels in suburbans environments”. IEEE Journal vol.17, no.7, July 1999.
- 136 - Posicionamiento en redes WiMAX: implementación de una solución real
[Gol05] Andrea Goldsmith, “Wireless Communications”, Standford University, 2005.
[IEEE1] “Institute of Electrical and Electronics Engineers” http://www.ieee.org/
[IEEE2] IEEE Standard “Air interface for fixed broadband wireless access systems”, October 2004.
[Jia08] Wenhua Jiao, Pin Jiang, Ruoju Liu, Wenbo Wang, Yuanyuan Ma, “Providing Location Service for Mobile WiMAX”, Beijing, 2008.
[Mar1] Maravedis, “WiMAX market report” http://www.maravedis-bwa.com
[Rah93] Moe Rahnema, “Overview of the GSM system and protocol architecture”, IEEE Communications Magazine, April 1993.
[Rup08] Peter Ruppel, Cornel Klein, Claudia Linnhoff-Popien, “Indooria – A Platform for Proactive Indoor Location-Based Services”, Munich, 2008.
[Sit09] D M Síthigh, "Law in the Last Mile: Sharing Internet Access Through WiFi", Edinburgh, March 2009.
[Wif1] “IEEE Wi-Fi 802.11 Standard“ http://standards.ieee.org/ getieee802/download/802.11-2007.pdf
[Wim1] “WiMAX Forum” http://www.wimaxforum.org
[Wim2] “WiMAX operators and vendors from around the world announce new deployments, growing commitment at the 2nd Annual WiMAX Forum® Global Congress” http://www.wimaxforum.org/node/1161
Resum:
Aquest projecte estudia la implantació d’un sistema de posicionament a l’interior d’un edifici que compti amb una xarxa WiMAX. Per començar, s’analitzaran les característiques principals d’aquesta tecnología, la configuració de la xarxa amb la que treballarem i s’explicaran els mètodes de posicionament existents avui en dia. Més endavant s’estudiaran els aspectes més importants de la nostra aplicació: l’escenari, l’estimació de la distancia i l’estimació de la posició. Finalment, després d’analitzar els resultats de diverses mesures, es dissenyaran tres mètodes pel càlcul de la posició i s’aplicarà el nostre procediment en més de 15 escenaris de posicionament diferents, amb l’objectiu de comparar els resultats i definir quin dels mètodes aconsegueix un posicionament més precís.
Resumen:
Este proyecto estudia la implantación de un sistema de posicionamiento en el interior de un edificio que disponga de una red WiMAX. Inicialmente se van a analizar las características principales de dicha tecnología, la configuración de la red con la que vamos a trabajar y se explicarán los sistemas de posicionamiento que existen en la actualidad. Posteriormente se estudiarán los aspectos más importantes de nuestra aplicación: el escenario, la estimación de la distancia y la estimación de la posición. Finalmente, tras analizar los resultados de diversas medidas, se diseñarán tres métodos para el cálculo de la posición y se aplicará el procedimiento en más de 15 escenarios de posicionamiento distintos, con el propósito de comparar los resultados y definir cuál de los métodos consigue un posicionamiento más preciso.
Summary:
This thesis studies the implantation of a positioning system inside a building provided with a WiMAX network. First of all, main features of the technology are going to be analyzed. We are also going to study the network configuration and the location systems existing nowadays. Later, the main parameters of our application will be studied: the scenario, the distance estimation and the location. After analyzing some measurements, three positioning methods are going to be designed and the procedure will be applied in more than 15 different scenarios, in order to compare the results and define which one of the methods obtains the most accurate location.